Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest dokładne poznanie wpływu temperatury na pracę przyrządów półprzewodnikowych.

Wpływ temperatury na przewodność przewodników i półprzewodników

Źródłem oporu w przewodniku są wszelkiego rodzaju defekty sieci krystalicznej (luki, dodatkowe jonu czy zanieczyszczenia) i quasi-cząsteczki - fonony odpowiadające cieplnym drganiom siatki. Wraz ze zwiększeniem temperatury zwiększa się zarówno liczba defektów (choć w niewielkim stopniu) jak i fononów. Elektrony statystycznie częściej zderzają się z quasi-cząsteczką, w wyniku czego maleje ich ruchliwość. Obserwowane zjawisko jest przyczyną zwiększania się rezystancji przewodnika wraz ze wzrostem temperatury. Przy stałym napięciu w wyniku samonagrzewania rezystora jego opór rośnie a prąd maleje. Dla przewodników obserwujemy, więc ujemne sprzężenie termiczne.

W przypadku półprzewodników samoistnych do opisanego mechanizmu zmniejszania się ruchliwości nośników dochodzi jeszcze zwiększona ilość generowanych termicznie par dziura – elektron. Zwiększenie koncentracji nośników ma wyraźnie większy wpływ na przewodność materiału niż spadek ruchliwości. Wraz ze wzrostem temperatury rezystywność półprzewodnika samoistnego maleje i w konsekwencji przy stałym spadku napięcia rośnie przepływający prąd. W efekcie samonagrzewania łatwo może dojść do powstawania gorących punktów. Lokalne wzrosty temperatury w niewielkim fragmencie półprzewodnika powodują wzrost prądu przepływającego przez ten fragment kosztem obszarów równoległych. Sprzężenie termiczne dodatnie pomiędzy rezystancją i generacją ciepła w tym fragmencie powoduje gwałtowny wzrost temperatury i prądu przepływającego przez ten obszar. Zjawisko fokalizacji (sznurowania) prądu prowadzi do nieodwracalnego uszkodzenia struktury. Z tego powodu w elektronice nie stosuje się półprzewodników samoistnych.

W przypadku półprzewodników domieszkowanych donorowo lub akceptorowo zależność rezystancji od temperatury można podzielić na trzy odmienne obszary (rys 1).

od 0 K do około 100 K – nie wszystkie domieszki są zjonizowane. Zwiększanie temperatury powoduje zwiększanie liczby zjonizowanych atomów, zwiększenie koncentracji nośników większościowych i w konsekwencji spadek rezystancji

od około 100 K do temperatury około 500 K – wszystkie domieszki są zjonizowane. Wzrost temperatury powoduje spadek ruchliwości nośników i zwiększenie koncentracji nośników mniejszościowych. Efekt drugi jest niezauważalny wobec praktycznie stałej liczby nośników większościowych.

powyżej 500K – liczba par dziura – elektron wygenerowanych termicznie jest porównywalna lub przewyższa liczbę elektronów pochodzących z jonizacji domieszek. Efekt domieszkowania zostaje ukryty i półprzewodnik zachowuje się jak samoistny. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się koncentracja nośników i maleje ich ruchliwość. Efekt pierwszy ma znaczenie dominujące i rezystancja półprzewodnika wraz ze wzrostem temperatury maleje. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy przyrządu grozi jego odmiennym zachowaniem niż by wynikało z domieszkowania a nawet zniszczeniem przyrządu na skutek termicznego sprzężenia dodatniego.

T [K] σ [Sm] 50 K około 400 K Rys 1: Zależność przewodności domieszkowanego półprzewodnika od temperatury

Złącze P-N

(1) Zależność prądu płynącego przez złącze P-N od napięcia U można wyrazić:

We wzorze tym od temperatury uzależnione są dwa parametry – prąd nasycenia i potencjał elektrotermiczny. Pełną zależność prądu idealnej diody od temperatury można wyrazić wzorem (2).

(2)

IS	– prąd nasycenia złącza

Eg0	– ekstrapolowana (T = 0) szerokość przerwy energetycznej

(3) Współczynnik temperaturowych zmian napięcia przy stałym prądzie diody obliczany jest jako pochodną dU/dT. Po elementarnych obliczeniach można wyznaczyć wartość współczynnika (3)

Dla napięcia 670 mV i temperatury 300 K wynosi on około -2 mV/K. Współczynnik jest zależny od temperatury jednak często w zastosowaniach złącza p-n jako czujnika przyjmuje się jego stałą wartość.

Wpływ temperatury na prąd diody zależy od napięcia podawanego na diodę. Dla napięć z zakresu zaporowego dominującym czynnikiem jest zwiększanie się prądu nasycenia w funkcji temperatury. Charakterystyka ma wtedy charakter wykładniczy.

Dla napięć z zakresów przewodzenia w diodzie występują dwa częściowo kompensujące się mechanizmy: wzrost prądu nasycenia i zmiana argumentu w funkcji wykładniczej (Uq/kT) i zmiany prądu mają łagodniejszy charakter niż dla zakresu zaporowego.

Dla typowych wartości napięcia podawanych na diodę (poniżej napięcia około 1,1 V) prąd diody rośnie w funkcji temperatury i dioda jest elementem z dodatnim sprzężeniem termicznym. W przypadku samonagrzewania na skutek wydzielanego w złączu ciepła prąd diody będzie się zwiększał. Większy przepływ prądu przy nie zmienionym napięciu powoduje większą generację ciepła i dalsze nagrzewanie. Przy złych warunkach chłodzenia układ może ulec przebiciu termicznemu (wtórnemu).

Dla napięć powyżej granicznej wartości obliczanej ze wzoru (4) prąd diody będzie malał w funkcji temperatury jednak nie ma to większego znaczenia praktycznego.

(4)

Dodatnie sprzężenie termiczne występuje również w innych elementach bipolarnych. Dotyczy to np. tranzystora bipolarnego gdzie nie tylko odpowiednie prądy nasycenia zwiększają się wraz z temperaturą ale również współczynnik wzmocnienia prądowego (beta) (5).

(5)

Zwiększanie współczynnika beta pod wpływem temperatury a także wydłużenie czasu życia nośników (na skutek zmniejszenia tempa rekombinacji) powoduje wydłużenie czasu włączania i wyłączania przyrządu, co z kolei ma istotny wpływ na straty przy przełączaniu i dynamiczną pracę przyrządu.

Dodatnie sprzężenie termiczne charakterystyczne dla elementów bipolarnych skutecznie utrudnia ich łączenie równoległe (lekko cieplejszy przyrząd zaczyna przejmować na siebie cały prąd) i jest częstym źródłem wtórnych przebić termicznych niszczących przyrząd.

Tranzystor VDMOS

W przypadku tranzystora MOS parametrem zależnym od temperatury w największym stopniu jest ruchliwość nośników według wzoru (6).

(6)

Wraz ze wzrostem temperatury ruchliwość maleje przez co przy stałym potencjale elektrod zmniejsza się prąd drenu. Oznacza to, że w tranzystorze MOS występuje mechanizm stabilizacji termicznej zapobiegającej przegrzaniu w wyniku samonagrzewania.

Jeżeli element struktury zostanie lokalnie podgrzany (na skutek gorszego chłodzenia czy różnicy w parametrach elektrycznych) jego prąd, a w konsekwencji straty mocy zmaleją. Gorący fragment półprzewodnika będzie samonagrzewany w mniejszym stopniu niż chłodniejsze obszary i temperatura szybko się wyrówna. Opisany mechanizm umożliwia zarówno wykonywanie struktur wielokomórkowych jak i łatwe łączenie równoległe przyrządów.

Tranzystor IGBT

Tranzystor IGBT jako połączenie elementu bipolarnego z unipolarnym ma bardzo nietypowe charakterystyki termiczne.

Temperatura w różny sposób wpływa na poszczególne składowe tranzystora:

część unipolarna:

Pod wpływem wzrostu temperatury przy stałym prądzie przepływającym przez strukturę spadek napięcia w kanale będzie się zwiększał (tak jak dla VDMOS). Część unipolarna wykazuje ujemne sprzężenie termiczne.

część bipolarna:

Pod wpływem wzrostu temperatury przy stałym prądzie przepływającym przez strukturę spadek napięcia na złączu kolektorowym będzie się zmniejszał (tak jak dla diody).

Przy małych prądach dominujące znaczenie ma spadek napięcia na części bipolarnej. Przy większych prądach zaczyna dominować spadek napięcia w kanale. W zależności od przepływającego prądu spadek napięcia na IGBT będzie rósł lub malał wraz ze wzrostem temperatury (ponieważ obie części działają przeciwstawnie dla IGBT zmiany napięcia nasycenia wraz z temperaturą są procentowo znacznie mniejsze niż dla diody i VDMOS-a). Dla pewnej pośredniej wartości prądu można uzyskać zrównanie charakterystyk części bipolarnej i unipolarnej i praktyczną niezależność napięcia nasycenia od temperatury. Przy dużych prądach obserwujemy ujemne sprzężenie termiczne, więc tranzystor IGBT może pracować w wysokich temperaturach (do 200 ˚C) bez ryzyka niestabilności termicznej przebicia wtórnego.

Wzrost temperatury ujemnie wpływa na dynamikę części bipolarnej (tak jak dla tranzystora bipolarnego). Rośnie wzmocnienie prądowe β przy jednoczesnym spowolnieniu rekombinacji. Tranzystor IGBT przełącza się wolniej co zwiększa z kolei straty mocy przy przełączaniu (a razem z tym dalszy wzrost temperatury). Przy nieprawidłowym układzie chłodzącym (uwzględniającym jedynie statykę przyrządu) zjawisko to może być źródłem niebezpiecznego sprzężenia termicznego dodatniego dla wysokich częstotliwości pracy.

tyrystor pasożytniczy występujący w strukturze IGBT

Tak jak dla wszystkich elementów zatrzaskujących wzrost temperatury ułatwia załączanie. Wzrost temperatury prowadzi do poważnego (kilkukrotnego np. 25˚C -> 175˚C  prawie trzykrotny spadek) zmniejszenia wartości prądu zatrzaskowego. Wykorzystanie IGBT w wysokich temperaturach jest związane z koniecznością kontroli i ograniczania prądu struktury.

Schemat układu pomiarowego

Analogiczny jak w ćwiczeniu „chłodzenie i radiatory”

Instrukcja programu ppmstatic

Program ten służy do uproszczonej symulacji elektrotermicznej elementów elektronicznych (rezystora, diody, tranzystora MOS i IGBT) i rysowania przebiegów prądu, napięcia i temperatury. Dokonuje on tylko obliczeń statycznych. By skorzystać z programu należy dwukrotnie kliknąć na ikonie pliku Wpt_static.exe.

Rys1 Ekran początkowy.

Po uruchomieniu programu pojawia się okno (rys.1), które służy do wyboru rodzaju przyrządu półprzewodnikowego przeznaczonego do symulacji, typu wykonywanej symulacji i zakresu zmienności parametrów. Dane zostają zapisane do pliku i mogą zostać wczytane ponownie w celu przeprowadzenia kolejnych symulacji.

[1] Wczytywanie danych z pliku

[2] Wybór rodzaju symulacji:

I(U) - prąd w funkcji napięcia przy stałej temperaturze,

U(I) - napięcie w funkcji prądu przy stałej temperaturze,

I(T) - prąd w funkcji temperatury przy stałym napięciu,

U(T) - napięcie w funkcji temperatury przy stałym prądzie,

I(U,T) - prąd w funkcji napięcia i temperatury,

T(U) - temperatura w funkcji napięcia.

[3] Zakres zmienności argumentu

[4] Wybór przyrządu półprzewodnikowego (rezystor, dioda, tranzystor MOS, tranzystor IGBT),

[5] Przejście do ekranu parametrów przyrządu półprzewodnikowego.

Rys.2 Okno parametrów przyrządu.

Okno parametrów przyrządu (rys 2) - służy do ustawienia ich parametrów. Każdy parametr jest opisany przy użyciu pomocy kontekstowej (hint), dostępnej po najechaniu na niego kursorem myszy. Po zakończeniu ustawień dane zostają zapisane do pliku i mogą być odczytane w trakcie następnej symulacji.

[6] Parametry dla wybranego przyrządu,

[7] Dodanie przyrządu do listy,

[8] Usunięcie przyrządu z listy,

[9] Numer przyrządu, którego parametry są obecnie wyświetlane,

[10] Liczba dodanych przyrządów,

[11] Wybór przyrządu, dla którego dane mają być wyświetlone,

[12] Zatwierdzenie zmian, prezentacja wyników,

[13] Zapis parametrów do pliku,

[14] Przejście do ekranu graficznego (rys.3).

Rys.3 Ekran graficzny.

Kolejne okno (rys.3) wyświetla wykres dla wybranych wcześniej ustawień. Można tu także zapisać otrzymane wyniki do pliku w postaci tekstowej lub graficznej.

[15] Obszar wykresu,

[16] Nazwa przyrządu (Element), oraz wielkości na osiach (X Axis, Y Axis),

[17] Ustawienie przyrządów, dla których charakterystyki pokazują się na wykresie,

[18] Maksymalne i minimalne współrzędne na osiach X i Y,

[19] Współrzędne kursora myszy na wykresie,

[20] Ponowne wprowadzenie danych,

[21] Zapisanie danych do pliku tekstowego,

[22] Zapisanie wykresu do pliku bmp.

Zadania do wykonania

W układzie pomiarowym zbadać wpływ temperatury na spadek napięcia na przewodzącym elemencie. Napięcie zasilania ustawić na poziomie 10V a bramki na poziomie 8V. Jako źródła ciepła użyć rezystorów ceramicznych dołączonych do ćwiczenia lub diody mocy. Zbadać tranzystory IGBT (bez radiatora) i VDMOS i diodę PIN (1N4007) przy trzech różnych obciążeniach (pojedynczy rezystor i połączenie równoległe i szeregowe). Ważny jest by odczytów dokonywać, gdy temperatura obudowy ustabilizuje się.

Korzystając z programu „ppmstatic” – zbadać wpływ temperatury na charakterystyki statyczne IGBT, diody i VDMOS i obejrzeć odpowiednie charakterystyki nieizotermiczne.

Co w sprawozdaniu

Tabelka z wynikami – minimalnie 6 temperatur i dwa typy obciążenia.

Wykresy spadku napięcia od temperatury obudowy. Na jednym wykresie jeden przyrząd (wszystkie obciążenia).

Porównania diody, VDMOS i IGBT pod względem ich właściwości termicznych

Wnioski

Charakterystyki izotermiczne wykonane w trzech różnych temperaturach dla diody, VDMOS i IGBT.

Wykres spadku napięcia na VDMOS przy stałym prądzie dla różnych warunków sterowania

Wykres spadku napięcia na diodzie przy stałym prądzie dla różnych parametrów diody

Wykres spadku napięcia na tranzystorze IGBT przy stałym prądzie dla różnych prądów

Wykresy prądu diody w funkcji temperatury dla różnych wartości napięcia na diodzie – dla napięć mniejszych od zera, z zakresu (0 – 1,1 V) i powyżej 1,1 V.

Charakterystyki nieizotermiczne (I(U) i T(U)) dla diody i VDMOS.

Wnioski

Pytania

W jaki sposób zależy przewodność przewodnika, półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego od temperatury? Z jakich własności fizycznych wynikają te zależności?

Na czym polega dodatnie i ujemne sprzężenie elektrotermiczne?

Jaki jest wpływ temperatury na charakterystyki diody?

Jaki jest wpływ temperatury na charakterystyki VDMOS?

Jaki jest wpływ temperatury na charakterystyki IGBT?

Jaki jest wpływ temperatury na dynamikę tranzystora bipolarnego i tranzystora IGBT?

1

Kaminski

2004-09-16T04:03:00