1 Wybrane zagadnienia współczesnej elektronikiWARSZTAT Wybrane zagadnienia współczesnej elektroniki

2 Plan warsztatów Zjawiska termiczne w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych (Wykład, 2h) Modelowanie układów elektronicznych w programie SPICE (Wykład, 2h) Pomiary charakterystyk elementów półprzewodnikowych (Wykład, 2h) Siedziba Akademii Morskiej Modelowanie układów elektronicznych w programie SPICE (Laboratorium, 2h, sala C-248) Pomiary charakterystyk elementów półprzewodnikowych (Laboratorium, 1h, sala C-218) Technika światłowodowa (Laboratorium, 1h, sala C-135) Technika laserowa (Laboratorium, 1h, sala C-135) Źródła promieniowania optycznego (Laboratorium, 1h, sala C-135) Detektory promieniowania optycznego (Laboratorium, 1h, sala C-135) Komputerowe projektowanie obwodów drukowanych układów elektronicznych (Laboratorium, 5h, sala C-248)

3 Zjawiska termiczne w elementach i układach elektronicznych

4 Plan referatu Parametry materiałów półprzewodnikowychStatus komercyjny elementów półprzewodnikowych Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowych Zjawisko samonagrzewania Parametry termiczne i metody ich pomiaru Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowych

5 Parametry materiałów półprzewodnikowychMateriały półprzewodnikowe we współczesnej elektronice Si – krzem SiC – węglik krzemu SiGe – krzemogerman GaAs – arsenek galu GaN – azotek galu InP – fosforek indu C – diament, grafen

6 Parametry materiałów półprzewodnikowychSzerokość przerwy energetycznej (Wg, Eg) Inne nazwy: wysokość bariery, szerokość obszaru zabronionego Model pasmowy (*) *

7 Parametry materiałów półprzewodnikowychSzerokość przerwy energetycznej (Wg, Eg) Zależność szerokości przerwy energetycznej od temperatury: Eg(0) - szerokość przerwy energetycznej odpowiadająca temperaturze 0 K  Eg0 - wartość Eg ekstrapolowana do temperatury 0 K

8 ! ! Parametry materiałów półprzewodnikowychKoncentracja nośników samoistnych (ni) Zależność koncentracji samoistnej od temperatury: A0 – parametr materiałowy niezależny od temperatury k – stała Boltzmanna  ! ! 15 milionów swobodnych elektronów i dziur w 1 mm3 1 swobodny elektron i 1 dziura w bryle o objętości 5000 m3 Uwaga! Koncentracja atomów krzemu = 1023 cm-3

9 Parametry materiałów półprzewodnikowychRuchliwość nośników Zależność prędkości nośników od natężenia pola elektrycznego: vS – prędkość nośników E – natężenie pola elektrycznego 

10 Parametry materiałów półprzewodnikowychRuchliwość nośników W literaturze podano wiele modeli μ(T, N, E): 1967 r., Caughey i Thomas: 1977 r., Jacoboni: 1999 r., Benda: Często stosowany model ruchliwości (*): μT0 - ruchliwość elektronów lub dziur w temperaturze T0 α - wskaźnik zależny od rodzaju półprzewodnika i rodzaju nośników * Baliga B. J.: Modern Power Devices. John Wiley and Sons, New York, 1987

11 Parametry materiałów półprzewodnikowychKonduktywność elektryczna (przewodność elektryczna właściwa) Półprzewodnik samoistny: Półprzewodnik domieszkowany: q - ładunek elementarny, n, p - koncentracje swobodnych elektronów i dziur, natomiast, µn, µp - ich ruchliwość W przypadku konduktywności samoistnej, zakładając niezależność parametrów µ oraz ni od koncentracji domieszek oraz przyjmując temperaturowe zależności tych parametrów, a także przyjmując taką samą wartość parametru materiałowego α równą 3/2 we wzorze na μ(T) dla elektronów i dla dziur (αp= αn), otrzymujemy: gdzie B oznacza parametr niezależny od temperatury, dany wzorem : w którym A1 jest parametrem

12 Parametry materiałów półprzewodnikowychKrytyczne natężenie pola elektrycznego NB – koncentracja domieszki 

13 Parametry materiałów półprzewodnikowychTemperatury charakterystyczne – temperatura wtórnej samoistności Ważnym parametrem termicznym określającym możliwości wykorzystania materiału półprzewodnikowego w wysokich temperaturowych jest temperatura wtórnej samoistności TS, w której koncentracja samoistna jest równa koncentracji domieszki. ND = 1015 cm-3

14 Parametry materiałów półprzewodnikowychTemperatury charakterystyczne – temperatura topnienia Potencjalne możliwości zastosowania materiału półprzewodnikowego w wysokich temperaturach określa jego temperatura topnienia Tt. Temperatura topnienia wybranych elementów półprzewodnikowych.

15 Parametry materiałów półprzewodnikowych Przewodność cieplna właściwaGęstość strumienia ciepła ΦC przepływającego na skutek przewodnictwa ciepła jest proporcjonalna do gradientu temperatury Współczynnik proporcjonalności λ oznacza przewodność (konduktywność) cieplną właściwą.

16 Parametry materiałów półprzewodnikowychWskaźniki jakości materiałów półprzewodnikowych (Figures of Merit) Aby ocenić przydatność oraz dokonać optymalnego wyboru materiału półprzewodnikowego do konstrukcji różnych elementów o różnym przeznaczeniu (na przykład duża moc, wysoka częstotliwość pracy itp.), zdefiniowano szereg tzw. wskaźników jakości FOMs (Figures of Merit) 1965 r., Johnson: 1972 r., Keyes: 1982 r., Baliga: 1989 r., Baliga: 1989 r., Shenai: Znormalizowane wartości FOMs. 2004 r., Huang: 2005 r., Huang: 2005 r., Baliga:

17 Status komercyjny elementów półprzewodnikowychCzołowi producenci elementów elektronicznych wykonanych z nowoczesnych materiałów półprzewodnikowych

18 Status komercyjny elementów półprzewodnikowychDiody Schottky’ego z węglika krzemu (SiC Schottky) około 70 typów diod 600 V, 650 V, 1200 V, 1700 V różne rodzaje obudów Przykład: dioda o symbolu C3D25170H zaskakująco niska Tj ! *

19 Status komercyjny elementów półprzewodnikowychTranzystory MOS z węglika krzemu (SiC MOSFET) 7 typów tranzystorów 1200 V, 1700 V

20 Status komercyjny elementów półprzewodnikowychTranzystory HEMT z azotku galu (GaN HEMT) około 40 typów tranzystorów

21 Status komercyjny elementów półprzewodnikowychSiC Schottky około 60 typów 600 V, 650 V, 1200 V SiC Schottky (około 12 typów) SiC MOSFET (1 typ) SiC JFET (4 typy) Od 2011 r. działalność firmy zawieszona SiC BJT (2 typy) SiC Schottky (około 9 typów) SiC MOSFET (6 typów) SiC Thyristor (4 typy)

22 Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowychCharakterystyki izotermiczne – tzn. w stałej temperaturze Idealne warunki chłodzenia, Tjunction = Tambient Pomiary charakterystyk izotermicznych pomiary impulsowe (problem doboru czasu trwania impulsu) dodatkowe chłodzenie elementu Izotermiczne charakterystyki katalogowe – typowo w 25C Charakterystyki izotermiczne nie odzwierciedlają „rzeczywistych” warunków pracy elementu półprzewodnikowego

23 Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowychDioda Schottky’ego OnSemiconductor Cree, Inc. SiC Si OnSemiconductor Si Cree, Inc. SiC

24 Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowychDioda Schottky’ego SiC Infineon Technologies SiC Infineon Technologies IDW40G65C5 IDW40G65C5

25 Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowychTranzystor MOS IRF840 Si Vishay Siliconix małe uGS - T↑ iD↑ duże uGS - T↑ iD↓ punkt autokompensacji termicznej SiC – zależności analogiczne

26 Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowychTranzystor MESFET California Eastern Laboratories GaAs Cree, Inc. SiC SiC GaAs

27 Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowychTranzystor bipolarny (BJT) Panasonic 2SC5294 Si BTSiC1206 SiC TranSiC

28 Zjawisko samonagrzewania Mechanizm zjawiska samonagrzewaniaenergia elektryczna ciepło temperatura wnętrza parametry elektryczne napięcia i prądy zaciskowe Jednym z istotnych zjawisk zachodzących w elementach półprzewodnikowych jest zjawisko samonagrzewania, skutkujące wzrostem temperatury wnętrza elementu powyżej temperatury otoczenia. Przyrost temperatury jest spowodowany zamianą energii elektrycznej wydzielanej w tym elemencie na ciepło przy nieidealnych warunkach chłodzenia.

29 Zjawisko samonagrzewania Skutki zjawiska samonagrzewaniawzrost temperatury wnętrza ograniczenie SOA zmiana wartości parametrów elementów oraz układów pogorszenie niezawodności elementów oraz układów

30 Zjawisko samonagrzewaniaMechanizmy odprowadzania (dostarczania) ciepła Konwekcja Promieniowanie Przewodnictwo Zakładając, że dominującym mechanizmem w odprowadzaniu ciepła z wnętrza elementu jest przewodnictwo, to czasowo-przestrzenny rozkład temperatury w elemencie półprzewodnikowym lub układzie scalonym można uzyskać z modelu termicznego w postaci równania przewodnictwa ciepła (model mikroskopowy). Równanie przewodnictwa ciepła wiąże przestrzenno-czasowy rozkład gęstości g(r, t) generowanej mocy cieplnej z przestrzenno-czasowym rozkładem temperatury T(r, t) w strukturze elementu, gdzie r oznacza wektor położenia. gdzie: λ - przewodność cieplna, c - ciepło właściwe materiału, d - gęstość materiału, g - gęstość generowanej mocy cieplnej

31 Zjawisko samonagrzewania Skupiony model termicznyW praktyce inżynierskiej stosuje się modele termiczne o stałych skupionych, które stanowią uproszczenie modeli o stałych rozłożonych, bowiem nie uwzględniają one przestrzennego rozkładu temperatury w elemencie. Przy formułowaniu takiego modelu zakłada się, że temperatura całego obszaru czynnego w elemencie jest jednakowa. Wykorzystując skupiony model termiczny, zależność temperatury wnętrza elementu dyskretnego od mocy wydzielanej w tym elemencie można opisać za pomocą całki splotu o postaci: gdzie T0 jest temperaturą odniesienia, Zth’(t) oznacza czasową pochodną przejściowej impedancji termicznej, natomiast pth(t), to czasowy przebieg mocy cieplnej Równanie dla stanu termicznie ustalonego upraszcza się do postaci: gdzie pth oznacza moc cieplną wydzielaną w elemencie w stanie ustalonym, natomiast Rth - rezystancję termiczną tego elementu. Tak więc, podstawowymi parametrami modeli termicznych o stałych skupionych są: przejściowa impedancja termiczna oraz rezystancja termiczna, opisujące właściwości cieplne elementu odpowiednio w stanach przejściowych i w stanie ustalonym.

32 Parametry termiczne i metody ich pomiaruParametry termiczne – definicje Przejściową impedancję termiczną Zth(t) definiuje się jako odpowiedź termiczną elementu na pobudzenie mocą w postaci uskoku Heaviside'a, to znaczy p(t) = P0∙1(t). Tak więc: gdzie ΔT(t) oznacza nadwyżkę temperatury wnętrza Tj(t) elementu ponad temperaturę odniesienia T0. W zależności od przyjętej we wzorze wartości T0, można zdefiniować dwie, przydatne w praktyce, przejściowe impedancje termiczne. Dla T0 = TC, co oznacza przyjęcie stałej temperatury obudowy, z równania otrzymuje się przejściową impedancję termiczną złącze-obudowa Zthj-c(t). Natomiast w przypadku, gdy T0 = Ta – stała temperatura otoczenia, wyznaczana jest przejściowa impedancja termiczna złącze-otoczenie Zthj-a(t). Rezystancja termiczna Rth elementu definiowana jest podobnie, jako iloraz nadwyżki temperatury wnętrza ponad temperaturę odniesienia w stanie termicznie ustalonym, do wywołującej tę nadwyżkę mocy P0. Zatem rezystancja termiczna elementu stanowi wartość asymptotyczną przejściowej impedancji termicznej dla t →∞. Na przykład, tranzystor IRF840: Rthj-c = 1C/W, Rthj-a = 62,5C/W Jeżeli moc P0 = 2 W (PTOT = 125 W), a temperatura otoczenia wynosi 27C, temperatura wnętrza tranzystora pracującego bez radiatora (w stanie termicznie ustalonym) może dochodzić do 152C. (Uwaga! Tjmax = 150C)

33 Zjawisko samonagrzewaniaSkupiony model elektrotermiczny – zasada formułowania

34 Parametry termiczne i metody ich pomiaruMetody pomiaru parametrów termicznych metody niszczące optyczne chemiczne metody nieniszczące elektryczne

35 Parametry termiczne i metody ich pomiaruMetody optyczne wielopunktowe (kamery i skanery termowizyjne) Zalety: - uzyskanie rozkładu temperatury, - przegląd dużych powierzchni, - odnajdywanie punktowych źródeł ciepła Wady: - różne współczynniki emisyjności różnych materiałów (chropowatość i barwa), -konieczność pokrywania elementu badanego czarną farbą

36 Parametry termiczne i metody ich pomiaruMetody optyczne jednopunktowe (pirometry optyczne) Wady: - analogiczne, jak w przypadku czujników wielopunktowych, - uzyskiwana uśredniona wartość temperatury ze stosunkowo dużej powierzchni, np.. koła o średnicy 5 mm.

37 Parametry termiczne i metody ich pomiaruMetody chemiczne Badany element (układ) pokrywany jest mieszaniną ciekłych kryształów Zalety: - uzyskanie rozkładu temperatury Wady: - niższa dokładność oraz zdolność rozdzielcza w porównaniu do metody optycznej

38 Parametry termiczne i metody ich pomiaru Rodzaje metod elektrycznychMetody elektryczne Określenie temperatury wnętrza elementu półprzewodnikowego w metodach elektrycznych przeprowadza się z wykorzystaniem tzw. parametru termoczułego, tzn. wybranego elektrycznego parametru elementu półprzewodnikowego, którego wartość zależy od temperatury. Przykładowo, parametrami termoczułymi tranzystora bipolarnego mogą być: napięcie na złączu baza-emiter spolaryzowanym w kierunku przewodzenia, współczynnik wzmocnienia prądowego oraz prądy zerowe. Z kolei, parametrami termoczułymi tranzystora MOS mogą być: napięcie progowe, rezystancja dren-źródło w stanie włączenia, prąd drenu w stanie włączenia oraz napięcie na przewodzącym złączu źródło-podłoże lub dren-podłoże przy ustalonej wartości prądu drenu. Rodzaje metod elektrycznych metody stałoprądowe Pomiar wartości parametru termoczułego (w zasadzie temperatury) przeprowadza się w trakcie wydzielania mocy cieplnej. Metoda kłopotliwa w realizacji. metody impulsowe Pomiar realizowany w trakcie wyłączenia mocy cieplnej. Wiele odmian tej metody.

39 Parametry termiczne i metody ich pomiaruPrzykład metody elektrycznej Metoda pomiaru wg. Oettingera i Blackburna (*) wykorzystująca tzw. krzywe chłodzenia na przykładzie tranzystora MESFET z arsenku galu (NE650103M) oraz węglika krzemu (CRF24010). Etap I – kalibracja charakterystyki termometrycznej * Oettinger F. F., Blackburn D. L.: Semiconductor Measurement Technology: Thermal Resistance Measurements, U. S. Department of Commerce, NIST/SP-400/86, 1990.

40 Parametry termiczne i metody ich pomiaruPrzykład metody elektrycznej – realizacja układowa metody Etap II – nagrzewanie tranzystora badanego mocą o wartości P0 Klucz S1 i S2 rozwarty – przez tranzystor badany (dren-źródło) płynie prąd o wartości IM+IH Etap III – studzenie tranzystora badanego – pomiar Tj(t) Klucz S1 i S2 zwarty – przez tranzystor (złącze bramka-źródło) płynie prąd pomiarowy IM

41 Parametry termiczne i metody ich pomiaru Przykładowe wyniki pomiarówPrzebiegi Tj(t) Przebiegi Zthj-a(t)

42 Parametry termiczne i metody ich pomiaru Przykładowe wyniki pomiarów

43 Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowychDioda Schottky’ego kierunek przewodzenia kierunek zaporowy

44 Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowychTranzystor bipolarny Si SiC dodatnie termiczne sprzężenie zwrotne ujemne termiczne sprzężenie zwrotne

45 Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowychTranzystor MESFET

46 Pomiary charakterystyk elementów półprzewodnikowych

47 Plan referatu Laboratorium pomiarowe – koncepcja realizacjiCharakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych Przykładowe stanowiska pomiarowe

48 Laboratorium pomiarowe – koncepcja realizacjiLaboratorium umożliwia zrealizowanie pomiarów wielu rodzajów charakterystyk i parametrów elementów półprzewodnikowych, w tym m. in.: pomiary izotermicznych oraz nieizotermicznych charakterystyk statycznych i dynamicznych, a także charakterystyk pojemnościowych C(u) elementu półprzewodnikowego, system pomiarowy 4200-SCS Semiconductor Characterization System źródła mierzące typu 2602A oraz 2410 pomiary parametrów termicznych elementu półprzewodnikowego, w tym rezystancji termicznej oraz przejściowej impedancji termicznej, systemy pomiarowe własnej konstrukcji przetworniki pomiarowe pomiary temperatury wnętrza elementu półprzewodnikowego oraz jego obudowy, jak również badanie rozkładu temperatury na powierzchni obudowy elementu lub w przypadku elementów nieobudowanych - rozkładu temperatury jego wnętrza, skaner termowizyjny pirometry czujniki temperatury (np. Pt-100).

49 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowychSystem pomiarowy 4200-SCS firmy Keithley

50 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – widok tylnej ścianki jednostki centralnej

51 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – testbox

52 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – przewody łączeniowe

53 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – Source Measure Units (SMUs)

54 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – przykłady układów pomiarowych charakterystyk elementów elektronicznych dioda tranzystor

55 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – przykład impulsowego pomiaru charakterystyk tranzystora

56 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych4200-SCS – przykład pomiaru pojemności tranzystora MOS

57 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowychŹródło mierzące 2602A System Source Meter

58 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowychŹródło mierzące 2602A System Source Meter

59 Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowychPrzykładowa konfiguracja pomiaru