WEEIiA E&T
Elektronika
Wysokotemperaturowa (HTE)
wykład 8 godz.
Prof. Zbigniew Lisik
pokój: 116
e-mail: [email protected]
Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych
i Optoelektronicznych
Temperatura a Półprzewodniki
Podstawowe półprzewodniki HTE:
Si - krzem
GaAs - arsenek galu
SiC - węglik krzemu
GaN - azotek galu
C - diament
Część 1
Temperatura a Półprzewodniki
Si
3D 2D
Si Si
Część 1
Struktura kryształu krzemu – tak zwana
struktura diamentu
Temperatura a Półprzewodniki
SiSiSiSi
SiSiSiSi
SiSiSiSi
SiSiSiSi
Część 1
Struktura kryształu krzemu – model 2D
Podstawy Fizyki Półprzewodników
SiSiSiSi
SiSiSiSi
SiSiSiSi
SiSiSiSi
WC
WV
Wg = Wc - Wv
T > 0 K
Część 1
Struktura kryształu krzemu – model 2D
Elektron walencyjny uzyskując
odpowiednią energię opuszcza
wiązanie i staje się elektronem
swobodnym.
generacja pary
dziura-elektron
Temperatura a Półprzewodniki
SiSiSiSi
SiSiGa-Si
SiAs+SiSi
SiSiSiSiWC
WV
WA
WD
Model energetyczny:
Część 1
Domieszki w krzemie T > 0K
Energia jonizacji domieszek
jest bardzo mała
Wi << Wg
Temperatura a Półprzewodniki
Koncentracja domieszek w półprzewodniku
domieszkowanym
Typy półprzewodników
Na > Nd pp0 > np0 typ p
Na < Nd pn0 < nn0 typ n
Na = Nd p0 = n0 = ni typ i
Bilans ładunku:nd + Na + nT = pT + Nd + pa
n0 + Na = p0 + Nd
Część 1
Temperatura a Półprzewodniki
Koncentracje elektronów i dziur:
kT
W-Wexp n
kT
W-Wexp n pn FFi
iFFi
i00
n pn 2
i00
Część 1
kT
Wexp
300
TB
kT
Wexp NN n
g
3
2g
VC
2
i
Koncentracja nośników w półprzewodniku
ni = f(T)
kT
W-Wexp N n FC
C0
kT
W-Wexp N p VF
V0
Temperatura a Półprzewodniki
T
ni
p0
n0
TiTs
ln n0
ln p0
Typ n
WC
WV
WD
n0 = nd + nT
p0 = pT
Ts – Temperatura wyczerpania stanów
Ti – Temperatura przejścia w stan
samoistny
Część 1
Koncentracja nośników w półprzewodniku
domieszkowanym
Temperatura a Półprzewodniki
Koncentracja nośników w półprzewodniku
domieszkowanym
T
ni
p
0
n0
TiTs
ln n0
ln p0
Typ n
Ts – temperatura wyczerpania stanów
Ti – temperatura przejścia w stan
samoistny
T
TiTs
ρ
Część 1
Temperatura a Półprzewodniki
Ograniczenia termiczne
T
ni
p0
n0
TiTs
ln n0
ln p0
Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być
zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników
większościowych nie może się istotnie zmieniać
Warunek 1: jest to prawdziwe kiedy Tmin nie mniejsze od Ts.
Dla Si Tmin ≈ -50 °C
Część 1
Obszar zalecany
Temperatura a Półprzewodniki
Warunek 2: jest prawdziwe kiedy Tmax mniejsze niż Ti.
Dla Si Tmax < 400 °C
Część 1
Ograniczenia termiczneJeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być
zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników
większościowych nie może się istotnie zmieniać
T
ni
p0
n0
TiTs
ln n0
ln p0
Obszar zalecany
Temperatura a Półprzewodniki
Warunek 2: jest prawdziwe kiedy Tmax mniejsze niż Ti.
Dla 4H:SiC Tmax < 1000 °C
Część 1
Ograniczenia termiczneJeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być
zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników
większościowych nie może się istotnie zmieniać
T
ni
p0
n0
TiTs
ln n0
ln p0
Obszar zalecany
Temperatura a Półprzewodniki
Typowe obszary definiowane w
katalogach dla przyrządów
krzemowych:
Zakres [C]
Komercyjny 0 – 70
Przemysłowy -25 – 85
Przemysłowy rozszerzony -40 – 125
Militarny -55 – 125
Część 1
Ograniczenia termiczne
T
ni
p0
n0
TiTs
ln n0
ln p0
Obszar zalecany
Warunek 3: jest prawdziwy kiedy Tmax nie powoduje wzrostu n0.
Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być
zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników
większościowych nie może się istotnie zmieniać
Temperatura a Półprzewodniki
Sznurowanie prądu – hot spot
T
TiTs
ρQ
T
J
Ti
Część 1
Prąd jest wypychany z obszaru
cieplejszego i maleje lokalne
rozpraszanie ciepła
pastylka krzemowa
Obszar bezpieczny
Jeżeli T jest wewnątrz <Ts,Ti>, występuje ujemne cieplne
sprzężenie zwrotne:
Temperatura a Półprzewodniki
Sznurowanie prądu – hot spot
T
TiTs
ρ
Jeżeli T jest wewnątrz <Ts,Ti>, występuje ujemne cieplne
sprzężenie zwrone:
Q
T
J
Część 1
Prąd jest wypychany z obszaru
cieplejszego i maleje lokalne
rozpraszanie ciepła
pastylka krzemowa
Obszar bezpieczny
Temperatura a Półprzewodniki
Sznurowanie prądu – hot spot
T
TiTs
ρ
Prąd jest ściągany do obszaru
cieplejszego i rośnie lokalne
rozpraszanie ciepła
Q
T
J
Ti
Część 1
Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne
sprzężenie zwrotne:
pastylka krzemowa
Obszar bezpieczny
Temperatura a Półprzewodniki
Sznurowanie prądu – hot spot
T
TiTs
ρ
Obszar bezpieczny
Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne
sprzężenie zwrotne:
Prąd jest ściskany do małego
obszaru i pojawia się „hot spot”
pastylka krzemowa
Q
T
J
Część 1
Co to jest HTE
Zakres [C]
Komercyjny 0 – 70
Przemysłowy -25 – 85
Rozszerzony Przemysłowy -40 – 125
Militarny -55 – 125
Temperatura pracy sprzętu elektronicznego, a w
szczególności przyrządów półprzewodnikowych, jest
parametrem, którego wartość musi być utrzymywana
w dopuszczalnym zakresie
Standardy
temperaturowe
dla zastosowań
sprzętu
elektronicznego
Część 2
Co to jest HTE
W dopuszczalnym zakresie muszą być utrzymywane:
Ta - temperatura otoczenia
Tj - temperatura złącza
Ts - temperatura magazynowania
ΔT = Tj – Ta - decyduje o możliwościach usuwania
ciepła wydzielającego się podczas pracy przyrządu,
w wyniku tzw. samonagrzewania
Wartości brzegowe zakresów nie są krytyczne
wiele przyrządów może pracować poza zakresami,
o ile przekroczenie temperatury nie jest wielkie
Część 2
Co to jest HTE
Jest wiele przypadków, gdy chcemy aby przyrząd pracował
powyżej górnego limitu deklarowanego zakresu
• Gdy przypadków takich było stosunkowo niewiele
wystarczała selekcja przyrządów deklarowanych dla
zakresu militatnego
• Wzrost zapotrzebowania wywołał zainteresowanie się
przemysłu opracowaniem rozwiązań specjalnie dla tych
zastosowań
Pojawiła się Elektronika Wysokotemperaturowa
(ang. High Temperature Electronics) obejmująca
wszelkie zastosowania elektroniki powyżej 150C
Część 2
Co to jest HTE
HTE rozwijała się od samego początku dwutorowo, co
znalazło swoje odbicie w podziale jej na dwa obszary:
Dolny zakres dla temperatur 150-300
Górny zakres dla temperatur powyżej 300
Obejmuje większość zastosowań i jest
rozwijany jako rozszerzenie rozwiązań
stosowanych w zakresie militarnym
Obejmuje ograniczoną ilość zastosowań,
wymaga nowych rozwiązań konstrukcyjnych,
nowych materiałów i nowych technologii
Część 2
Co to jest HTE
Temperatura1998 2003 2008
$ mln % $ mln % $ mln %
do 200 171.7 97 344.5 91 779.3 88
200 300 4.3 2 25.2 7 78.3 9
powyżej 300 1.2 1 7.1 2 29.5 3
Całkowite 177.2 100 378.8 100 887,1 100
Oszacowanie rynku HTE dla poszczególnych zakresów
temperaturowych (opracowanie z roku 2001)
Część 2
Obszary zastosowań HTE
Jest kilka sytuacji, w których aparatura lub elementy
elektroniczne pracują warunkach powyżej „zakresu
militarnego” (ZM):
• Wysoka temperatura otoczenia – temperatura Ta > ZM
• Duża gęstość wydzielania ciepła – temperatura Tj > ZM
• Testy niezawodnościowe – temperatura Ts lub Tj > ZM
• Praca w warunkach podwyższonej radiacji – im większa
temperatura Tj i Ta tym większa odporność na radiację
Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
Zwykle jedynie część aparatury elektronicznej musi być
umieszczona w Obszarze Podwyższonej Temperatury
(OPT) – np. w przedziale silnikowym samochodu.
Istnieje kilka sposobów rozwiązania tego problemu:
Rozwiązanie klasyczne
Tylko przetworniki i elementy
wykonawcze lokowane są w OPT
podczas gdy pozostała tzw.
„inteligentna” część pozostaje w
obszarze o niskiej temperaturze
Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
Niedogodności rozwiązania klasycznego - obie części są
połączone długimi przewodami co prowadzi do:
• pojawienia się zakłóceń elektromagnetycznych,
• dużego poziomu szumów,
• niskiego poziomu niezawodności.
Rozwiązanie HTE
Część „inteligentna” jest w
znacznej części lokowana w OPT
jako elementy typu „smart sensor”
„smart actuator” i „smart power”
opracowane jako elementy HTE
Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
Obszar Podwyższonej Temperatury
interface
sensor-electronic
s
sensor
process control
Obszar normalnej temperatury
WzmacniaczeKonwertery prąd/napięcieGeneratory pomiarowe
Czujniki temperaturyCzujniki przepływuCzujniki poziomyCzujniki ciśnienia Czujniki przyspieszenia
Przetwornik A/D
Architektura rozwiązania HTE
Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
W rozważanym przypadku Ta > ZM, natomiast nie ma
żadnych założeń co do temperatury Tj .
Można tu zastosować jedno z dwóch rozwiązań:
1. Temperatura Tj jest utrzymywana poniżej Ta dzięki specjalnej konstrukcji obudowy, która zapewnia izolację cieplną oraz zawiera systemy efektywnego odbierania ciepła oraz chłodzenia.
W efekcie jest możliwe zastosowanie rozwiązań
opracowanych dla zakresu militarnego
Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
Przykład zastosowania
elektroniki należącej do ZM
dla potrzeb OPT:
Miniaturowa obudowa z
systemem chłodzenia dla
elektroniki wprowadzanej
do obwiertów
Bennet G.A., “Thermal Protection Methods for
Electronics in Hot Wells”, in High Temperature
Electronics, Ed. Kirschman R., IEEE Press, 1998,
pp.111-124 Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
W rozważanym przypadku Ta > ZM, natomiast nie ma
żadnych założeń co do temperatury Tj .
Można tu zastosować jedno z dwóch rozwiązań:
2. Temperatura Tj > ZM podczas pracy urządzenia, natomiast zastosowane w nim elementy jak i systemodprowadzania ciepła są zaprojektowane do pracy w warunkach HTE.
Działanie i niezawodność elementów elektronicznych w warunkach HTE jest gorsze – zastosowanie tej
opcji musi być uzasadnione: redukcją kosztów, wagi, wymiarów itp.
Część 2
Wysoka temperatura otoczenia
Przykład zastosowania
elektroniki HTE:
HTE moduł zawierający
miernik ciśnienia dla
zastosowań w odwiertach
Quartzdyne Inc,
Ta = 200 °CTechnologia hybrydowa:
• podłoże Al2O3
• layout grubowarstwowy – 5 poziomów metalizacji
• elementy Si-SOI
• kontakty Au domieszkowane Pd
Część 2
Duża gęstość wydzielania ciepła
• Zwykle w każdym urządzeniu elektronicznym, dzięki
odpowiednim rozwiązaniom thermal management, jest
utrzymywana temperatura na dozwolonym poziomie
np. poniżej 125 C dla „zakresu militarnego”
• Jeżeli gęstości rozpraszania mocy są tak duże, żedostępne rozwiązania uniemożliwiają utrzymanietemperatury wewnątrz ZM, jest koniecznezastosowanie rozwiązań HTE. Ma to miejsce gdy:
Lokalne gęstości rozpraszania ciepła przekraczają naturalne możliwości jego odprowadzenia
Odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte
Część 2
0
5
10
15
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Gę
sto
ść s
tru
mie
nia
cie
pła
[W/c
m2]
Lata
IBM 360IBM 370 IBM 3033
Fujitsu M 380
Honywell DPS88
NEC LCMIBM 4381IBM 3081 TCM
CDC Cyber 205
IBM 3090 TCM
Fujitsu M780
NTTIBM 3090S TCM
Fujitsu VP2000
IBM ES9000
IBM RY3
IBM RY4
IBM RY6
IBM RY7
IBM RY5
IBM GP
Itanium 2
Pentium 4Xeon DP
POWER4
Core
Core 2 Duo
Core 2 Quad
Core 2 Extreme
Core i7
Bipolarna CMOS Multi
Duża gęstość wydzielania ciepła
Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice
Rosnąca ilość tranzystorów na powierzchni chip’uprowadzi do gęstości rozpraszania ciepła MW/cm3 (np. procesory)
Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła
wzrost ΔT=Tj – Ta
HTE?
Część 2
Duża gęstość wydzielania ciepła
Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice
Nowe struktury 3D IC zawierające kilka warstw z aktywnymi elementami, o dużym objętościowym
rozpraszaniu ciepła
Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła
wzrost ΔT=Tj – Ta
Część 2
Duża gęstość wydzielania ciepła
Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice
Przyrządy mocy o dużych gęstościach prądu (np. w
przyrządach z Si 100 A/cm2 a w przyrządach z SiC ponad
1000 A/cm2)
Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła
wzrost ΔT=Tj – Ta
STMicroelectronics
SiC JFET 1700V
Część 2
Duża gęstość wydzielania ciepła
Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte
Brak miejsca na wprowadzenie takich dodatkowych elementów polepszających chłodzenie jak np. radiator(np. w samolotach)
Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia
wzrost ΔT=Tj – Ta
System nawigacyjny
Becker RN-3300
Część 2
Duża gęstość wydzielania ciepła
Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte
Z uwagi na konstrukcję, rozwiązania wymuszonego chłodzenia nie mogą być użyte(zamknięte obszary bez możliwości wymianypowietrza)
Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia
wzrost ΔT=Tj – Ta
Stacje bazowe i telefony komórkowe
Część 2
Duża gęstość wydzielania ciepła
Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte
Urządzenie jest izolowane termicznie lub umieszczone w próżni (np. systemy umieszczone na orbicie lub w kosmosie)
Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia
wzrost ΔT=Tj – Ta
MILSTAR (USA)
Wojskowy satelita komunikacyjny
Część 2
Testy niezawodnościowe
kT
aE exp C R(T)
• HTE testy niezawodnościowe są ważnym ale
nietypowym przypadkiem zastosowania warunków
HTE w elektronice
• Wykorzystują one fakt, że proces degradacji sprzętu
elektronicznego ulega przyspieszeniu w wyższych
temperaturach, co pozwala skrócić testy niezawodności
• Podstawą tych testów jest wzór Arrheniusa opisujący
dynamikę starzenia (pojawiania uszkodzenia):
R(T) – Szybkość degradacji
Ea – energia aktywacji dla danego procesu
Część 3
Testy niezawodnościowe
to
a
o
t
T
1 -
T
1exp
k
Eexp
)R(T
)R(T
Test czasu życia
Polega on na pomiarze czasu życia (do uszkodzenia) dla
pracy w podwyższonej temperaturze Tt, a następnie
wyznaczenia go dla temperatury pracy T0 ze wzoru:
Aby test był efektywny, różnica Tt-T0 musi być
dostatecznie duża (np. dla Si przy T0=125 C i Tt=250 C
przyspieszenie wynosi ok. 1000)
Część 3
Testy niezawodnościowe
Test burn-in
Test stosowany dla
odpowiedzialnego
sprzętu elektronicznego
przed przeznaczeniem
go do sprzedaży
Wykorzystuje istnienie w początkowej fazie eksploatacji
urządzeń przedziału intensywnych uszkodzeń tzw.
„infant mortality” (wczesne uszkodzenie)
Część 3
Testy niezawodnościowe
Test burn-in
Polega na przetrzymaniu
testowanych elementów przez
pewien czas w podwyższonej
temperaturze Tt w celu
wykrycia i wyeliminowania
uszkodzonych lub
„słabych” części
wykazujących
„infant mortality”
HPB-5B (MCC)
768 szt. VLSI
Tt = 150 °C
Część 3
Testy niezawodnościowe
Wzór Arrheniusa a niezawodność elementów HTE
Elementy elektroniczne HTE wymagają lepszych
technologii aby uzyskać
zadawalający poziom
niezawodności.
Jay Goetz, High Temperature Electronics for Sensor
Interface and Data Acquisition, Sensors Expo,1998
Wpływ efektu elektromigracji
na szybkość uszkodzeń
dane dla HTMOS IC
Honeywell
Część 3
Zastosowania w przemyśle
Zastosowania1998 2003 2008
$ mln % $ mln % $ mln %
Sprzęt lokowany w odwiertach 78,5 44 107,3 28 170,2 19
Aeronautyka 14,5 8 48,0 13 108,4 12
Automobilizm 78,3 44 204,8 54 561,3 64
Inne 5,9 3 18,7 5 47,2 5
Total 177,2 100 378,8 100 887,1 100
Oszacowanie rynku HTE wg. zastosowań
(opracowanie z roku 2001)
Część 3
Zastosowania w przemyśle
Branża Temperatury [C]
Odwierty 75-600
Aeronautyka do 350
Automobilizm do 1000
Procesy przemysłowe do 1000
Sprzęt konsumencki do 500
Komunikacja do 250
Monitorowanie reaktorów jądrowych do 550
Systemy kosmiczne do 600
Zastosowania militarne do 250
Pożądane zakresy temperatur
Część 3
Zastosowania w przemyśle
10 ÷ 30 °C/km
głębokość > 5 km
Typ zastosowania
Zakres
Temperatury
[C]
Odwierty naftowe i
gazowe
75- 225
Wstrzykiwanie pary 200-300
Odwierty geotermiczne 200-600
Zastosowania
w odwiertach
Przykłady zastosowań:
Część 3
Zastosowania w przemyśle
Zastosowania
w odwiertach
Schematyczne
przedstawienie systemu
zbierana danych
wprowadzanego do
odwieru :
Bennet G.A., “Thermal Protection Methods for
Electronics in Hot Wells”, in High Temperature
Electronics, Ed. Kirschman R., IEEE Press,
1998, pp.111-124 Część 3
Zastosowania w przemyśle
ZastosowanieZakres
temperatury[C]
Przedział silnika -40 165
Na silniku i w przekładniach -40 165
Montowane na kołach -40 250
Komora silnika do 1000
Ilość części:
1990 – 150
2000 - 400
Zastosowania w
samochodach
Przykłady zastosowań:
Część 3
Zastosowania w przemyśle
Zastosowania w
samochodach
Wzrost udziału elementów
elektronicznych w koszcie
pojedynczego samochodu
osobowego :
Tamor M.A., “High-Temperature Electronics
for Automobiles”, in High Temperature
Electronics, Ed. Kirschman R., IEEE Press,
1998, pp.153-160Część 3
Zastosowania w przemyśle
Awionika
ZastosowanieZakres
Temperatury
[C]
Systemy hamulcowe do 250
Systemy awioniki do 250
Sterowanie silnikiem do 300
“Smart Skins” do 350
>30% moc
pobierana do
chłodzenia przez
ECS
Część 3
Zastosowania w przemyśle
Awionika
Temperatura na powierzchni
nowoczesnych nowych
generacji samolotów
(oszacowanie McDouglas)
Ott J., “HSCT research defines weight, fuel
issues”, Aviation Week & Space Technology, 28
Mar. 19888, pp.88-90
Część 3
Zastosowania w przemyśle
Procesy pzemysłowe
SP-100
Reaktor jądrowy na satelitach
375-425C
ZastosowanieZakres
temperatury
[C]
Gorące procesy do 600
Monitorowanie fluidów
do 1000
Monitorowanie płomienia
do 600
Przykłady zastosowań:
Część 3
Zastosowania w samochodach
Część 3
Przewidywane warunki pracy podzespołów
Zastosowania w samochodach
Część 3
Podzespoły blisko
silnika (120°C)
Podzespoły
oddalone od silnika
(105°C)
Przestrzeń pomiędzy silnikiem a
powierzchnią drogi (70°C)
Komponenty montowane przy
piastach kół (do 250°C)
Powierzchnia drogi
(40-60°C)
Olej silnikowy i przekładniowy (150°C)
Blok silnika (140°C)
Wydech (578°C)
Otoczenie alternatora (150°C)Otoczenie układu
zapłonowego (130°C)
Przykładowe temperatury w komorze silnika
G.W. de Vos, D.E. Helton, “Migration of Power Train Electronics to On-Engine and On-Transmission”,
SAE Technical Paper Series 1999-01-0159
Zastosowania w samochodach
Część 3
Problemy lokalizacji w komorze
silnika
● Ograniczona przestrzeń
● Niestabilne środowisko (silny wpływ na niezawodność
podzespołów elektronicznych)
● Szeroki zakres zmian temperatur w komorze silnika
(-50°C ÷ +150°C)
Zastosowania w samochodach
Część 3
Napęd hybrydowy
Układ sterowania silnikiem elektrycznym z
falownikiem
Toyota
Zastosowania w samochodach
Część 3
SiSiC
Falowniki
3-fazowy falownik (Mitsubishi Electric),Pwy - 11kW,
Uwe – 1,2 kV
(tranzystory SiC-MOSFET i diody SiC-Schottky)
Materiały półprzewodnikowe
Zakres
temperatur
[C]
Przerwa
zabroniona
Wg [eV]
Materiał
300 = 1.12 Si – SOI
300500 2.3 GaAs, InP, GaP
500 2.3SiC, C-diament
GaN, AlN, BN,
Wymagania materiałowe dla różnych
zakresów temperatur
Część 4
Materiały półprzewodnikowe
Półprzewodnik
1998 2003 2008
$ mln % $ mln % $ mln %
Si/SOI 155,7 88 308,8 82 667,7 75
GaAs 20,6 11 60,8 16 183,2 21
Półprzewodniki
szerokopasmowe0,9 1 7,2 2 36,2 4
Razem 177,2 100 378,8 100 887,1 100
Ocena światowego rynku półprzewodników w
zastosowaniu do HTE
Część 4
Półprzewodniki - krzem
● Naturalną granicą dla krzemu jest 400 C
● Przyrządy z Si mogą pracować poza ZM ale ich
parametry staną się gorsze, realne temperatury
pracy są mniejsze:
● Poprawa ich parametrów wymaga modyfikacji
obwody analogowe – ca 150 C
obwody cyfrowe – ca 250 C
technologii CMOS i I2L – ca 150 °C
zastosowania technologii SOI – ca 300 °C
Część 4
Półprzewodniki - krzem
Część 4
Tranzystory bipolarne
Wpływ temperatury na
charakterystyki wyjściowe
maleje współczynnik wzmocnienia – ca 30%/100C
rośnie napięcie przewodzenia – ca 20 mV/100C
rośnie rezystancja Ron, a więc rosną straty
prąd upływu złącza B-C przy otwartym emiterze podwaja się co 8C
charakterystyki tracą liniowość ze wzrostem temperatury
Układowy limit temperatury – 150°C
Półprzewodniki - krzem
Część 4
Tranzystory MOSFET
Układowy limit temperatury – 160°C
Wpływ temperatury na
charakterystyki przejściowe
prąd nasycenia maleje z temperaturą
rezystancja Ron rośnie – ca. 70%/100C , a więc rosną straty
występuje termicznie stabilny punkt na charakterystyce wyjściowej
maleje transkonductancja
2N4351 Uds= const.
Półprzewodniki - krzem
Część 4
Tranzystory MOSFET
Wpływ temperatury na
charakterystyki przejściowe
Układowy limit temperatury – 160°C
prąd nasycenia maleje z temperaturą
rezystancja Ron rośnie – ca. 70%/100C , a więc rosną straty
maleje napięcie progowe – odpowiadaprądowi 1% prądu nasycenia drenu
maleje szybkość zmian prądu podprogowego drenu
ICL – podprogowy prąd upływu kanału
IDL – prąd upływu drenu
Półprzewodniki - krzem
Część 4
Tranzystory MOSFET
Prąd upływu w standardowym
układzie scalonym NMOS
utratę efektywnej kontroli prądu drenu ID przez napięcie bramki
wystąpienie efektu luch-up pasożytniczej struktury p-n-p-nw wyniku oddziaływania z sąsiednimi tranzystorami w układzie CMOS
2kT
W-exp T I
g23
L ~
Prąd upływu rośnie exponencjalnie z temperatrurą powodując:
Układowy limit temperatury – 160°C
Półprzewodniki - krzem
Silicon on Insulator - SOI
Krzem
Izolator
Profity:
• mniejszy prąd upływu
• mniejsza pojemność złączowa
• mniejsza pojemność pasożytnicza do podłoża
• temperatura pracy 300C, anawet więcej
Wymiary:
Warstwa aktywna Si 100-20 nm
Warstwa izolatora 400 nm
Warstwa podłoża Si setki m
Część 4
Półprzewodniki - krzem
Część 4
Struktura SOI MOSFET
Struktura SOI ma mniejszy prąd
upływu o 2-4 rzędy dzięki:
Porównanie struktury MOSFET
standardowej (bulk) oraz SOI
brakowi dolnego złącza i prądu upływu do podłoża
wykonywanie tranzystorów w cienkiej warstwie aktywnej, co pozwalana ich wzajemna izolację (np. przez trencze SiO2)
zmniejszenie wymiarów wertykalnych złącz p-n dające 100x redukcję całkowitej powierzchni złącz (i ich prądu upływu)
Układowy limit temperatury – 200°C
Półprzewodniki - krzem
Część 4
Struktura SOI MOSFET
Zmiany napięcia progowego
zachodzą z szybkością 2.5 mV/C w
NMOS oraz 3 mV/ C w PMOS
Zmiany napicia progowego w
tranzystorach NMOS i PMOS układu
CMOS
Konstrukcyjny limit temperatury – 300°C
Uzyskanie wysokiej temperatury pracy w układach wykonanych w technologii SOI wymaga wprowadzenia dodatkowych zmian w konstrukcji tranzystorów, podwyższających ich osiągi.
Półprzewodniki - krzem
Silicon on Insulator - SOI
Część 4
Półprzewodniki – arsenek galu
GaAs jest drugim po Si materiałem półprzewodnikowym
pod względem dostępności technologii, jego przerwa
zabroniona Wg=1.43 eV powoduje, że fizyczna granica dla
jego temperatury pracy jest powyżej 500C
GaAs unikalnych własności w porównaniu z Si, jak:
• prosta przerwa energetyczna
• duża ruchliwość elektronów
• zdolność do wzrostu jako hetrostruktury
co czyni go bardzo atrakcyjnym materiałem dla wielu
aplikacji.
Część 4
Półprzewodniki – węglik krzemu
SiC jest najbardziej zaawansowanym technologicznie
materiałem o szerokiej przerwie zabronionej, która mieści
się w przedziale 2.2-3.2 eV
Naturalną granicą dla SiC jest 800-1300C
Część 4
Karborund – materiał ścierny
Podłoża 2’ i 3’
Monokryształ
Półprzewodniki – węglik krzemu
SiC krystalizuje w różny sposób tworząc kryształy o różnych
własnościach. Są 3 podstawowe konfiguracje zawierające
wiele politypii:
• heksagonala 4H:SiC, 6H:SiC
Część 4
• kubiczna 4C:SiC
• romboedryczna 15R:SiC
a = b = c
= = = 90
a = b = c
= = = 90
a = c ≠ b
= = 90, = 120
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
C
C
A
A
B
B
A
C
A
B
A
B
C
3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC
A
B
C
Zasady tworzenia politypii
Istnieją 3 możliwe wzajemne
położenia atomów kolejnych
warstw:
A – warstwa bazowa
B i C – przesunięte względem
A
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Porównanie Si i politypii SiC
Parametr Si 6H-SiC 4H-SiC 3C-SiC
Przerwa energetyczna Wg [eV] 1.11 2.9 3.2 2.2
Maksymalne pole elektryczne [V/cm]
(Nd[cm-3])
6x105
(1x1017)
35x105
(1x1017)
35x105
(1x1017)
3x106
(4.8x1016)
Prędkość nasycenia elektronów [cm/s] 107 2x107 2x107 2.5x107
Przewodność cieplna [W/cm*K] 1.5 4.9 4.9 4.9
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Maksymalna prędkość
unoszenia nośników
2x
Przewodność cieplna
3x
Napięcie przebicia 10x
Przerwa zabroniona 3x
Punkt topnienia 2x
Parametry
półprzewodnika
(SiC/Si)
10 x (28-100ns)
Małe
rozmiary,
duża szybkość
Duża szybkość
10x
1/420 x (23mcm2)
Małe
rozmiary,
duża
efektywność
Duża gęstość prądu,
małe straty
(1/100) x
2,5 x (19,5kV)
Redukcja
ilości
elementów
Napięcie przebicia
10x
3 x (350oC)Proste
chłodzenie
Praca w wysokich
temperaturach
3x
Polepszenie
parametrów w
przyrządach testowych
(>1kV)
Efekty
eksploatacyjne
Spodziewana
poprawa
parametrów
przyrządu (SiC/Si)
Si vs SiC – co możemy uzyskać
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Anizotropia w SiC
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Zależność rezystancji na
jednostkę powierzchni diody
Schottky’ego
spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia od jej napięcia
przebicia
dla diod wykonanych z Si,
GaAs oraz z 4H-SiC
Diody Schottky’ego
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Diody Schottky’ego
• Infineon
Napięcie blokowania: 600 V
Prądy przewodzenia: 2-4-5-6-8-10-12-16 A
Typowe napięcie przewodzenia: 1.5-2.1 V
Typowy prąd wsteczny: 15-400 μA
Maksymalna temperatura: 175°C
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Diody Schottky’ego
• Infineon
Napięcie blokowania: 1200 V
Prąd przewodzenia: 2-5-7.5-10-15 A
Typowe napięcie przewodzenia : 1.65 V
Typowy prąd wsteczny : 48-360 μA
Maksymalna temperatura : 175°C
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Napięcie blokowania: 600 V
Prądy przewodzenia: 1-2-4-6-8-10-20 A
Typowe napięcie przewodzenia: 1.6-1.5 V
Maksymalna temperatura: 175°C
Diody Schottky’ego
• CREE
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrzady z SiC
Napięcie blokowania: 1200 V
Prądy przewodzenia: 5-10-20 A
Typowe napięcie przewodzenia: 1.6 V
Maksymalna temperatura: 175°C
Diody Schottky’ego
• CREE
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Diody Schottky’ego
• CREE
Napięcie blokowania: 1700 V
Prądy przewodzenia: 10-25 A
Typowe napięcie przewodzenia: 1.8 V (25 °C)
3.2 V (175 °C)
Maksymalna temperatura: 175°C
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrzady z SiC
Napięcie blokowania: 600 V
Prądy przewodzenia: 4-6-8-10 A
Typowe napięcie przewodzenia: 1.7-1.9 V
Maksymalna temperatura: 175°C
Diody Schottky’ego
• ST Microelectronics
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrzady z SiC
• Sensitron
• Semelab Aerospaciale
Napięcie blokowania: 600-1200 V
Maksymalna temperatura : 400°C
Matryce z równolegle połączonych struktur 1mm2
Napięcie blokowania: 600-1200 V
Prądy przewodzenia: 4-8-10-20 A
Maksymalna temperatura : 400°C
Diody Schottky’ego
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrzady z SiC
Tranzystory MESFET
• CREE
Napięcie dren-źródło UDSS : 120 V
Napięcie bramka źródło UGS : -20÷3 V
Częstotliwość : < 2,7 GHz
Maksymalna temperatura : 255°C
Moc wyjściowa: 10-60 W
Był usunięty z oferty –
obecnie dostępny, ale tylko jako struktura
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrzady z SiC
• Teledyne Scientific
poprzednio Rockwell Scientific
Moc wyjściowa : 25 W
Częstotliwość : < 1.5 GHz
Oferowany jako element wzmacniacza
mocy L1700
Tranzystory MESFET
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Tranzystory JFET
• SemiSouth Lab
Napięcie dren-źródło UDSS : 1200-1700 V
Prąd drenu ID : 17-30-4 A
Napięcie bramka źródło UGS : -15÷15 V
Czas wyłączania toff : ≈ 30 ns
Maksymalna temperatura : 175°C
Maksymalna moc rozpraszana: 136-250-58 W
W obudowach microsscomponents Tmax 200 °C (przy selekcji 260°C)
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Tranzystory BJT
• TranSiC
Napięcie przebicia UCE0 : 1200 V
Prąd kolektora IC : 6-20 A
Czas przełączenia toff : ≈ 20-30 ns
Maksymalna temperatura : 250°C
Napięcie w stanie przewodzenia UCEsat: 1 V
TO-258
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Aktualnie oferowane przyrządy z SiC
Tranzystory MOSFET
• Powerex
Napięcie przebicia U(BR)DSS : 1200 V
Prąd drenu ID : 100 A
Napięcie bramka źródło UGS : -5÷20 V
Maksymalna temperatura : 200°C
Maksymalna moc rozpraszana: 880 W
QJD1210006
Półprzewodniki – węglik krzemu
Część 4
Lista