Projekt NEWTECH Program rozwoju praktycznych kompetencji nauczycieli zawodw

Projekt „NEW-TECH Program rozwoju praktycznych kompetencji nauczycieli zawodów branż nowych technologii” jest współfinansowany przez Unię Europejską WARSZTAT Wybrane zagadnienia współczesnej elektroniki Projekt realizowany przez COMBIDATA Poland sp. z o. o. w ramach umowy o dofinansowanie projektu w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki 2007 -2013, Priorytetu III „Wysoka jakość systemu oświaty”, Działanie 3. 4 „Otwartość systemu edukacji w kontekście uczenia się przez całe życia” , Poddziałanie: 3. 4. 3 „Upowszechnienie uczenia się przez całe życie - projekty konkursowe”.

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

Zjawiska termiczne w elementach i układach elektronicznych

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

Parametry materiałów półprzewodnikowych Materiały półprzewodnikowe we współczesnej elektronice Si – krzem Si. C – węglik krzemu Si. Ge – krzemogerman Ga. As – arsenek galu Ga. N – azotek galu In. P – fosforek indu C – diament, grafen

Parametry materiałów półprzewodnikowych Szerokość przerwy energetycznej (Wg, Eg) Inne nazwy: wysokość bariery, szerokość obszaru zabronionego Model pasmowy (*) * http: //putwiki. informatyka. org

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

Parametry materiałów półprzewodnikowych Koncentracja nośników samoistnych (ni) Zależność koncentracji samoistnej od temperatury: A 0 – parametr materiałowy niezależny od temperatury k – stała Boltzmanna 15 milionów swobodnych elektronów i dziur w 1 mm 3 ! Uwaga! Koncentracja atomów krzemu = 1023 cm-3 1 swobodny elektron i 1 dziura w bryle o objętości 5000 m 3 !

Parametry materiałów półprzewodnikowych Ruchliwość nośników Zależność prędkości nośników od natężenia pola elektrycznego: v. S – prędkość nośników E – natężenie pola elektrycznego

Parametry materiałów półprzewodnikowych Ruchliwość 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 (*): μT 0 - ruchliwość elektronów lub dziur w temperaturze T 0 α - wskaźnik zależny od rodzaju półprzewodnika i rodzaju nośników * Baliga B. J. : Modern Power Devices. John Wiley and Sons, New York, 1987

Parametry materiałów półprzewodnikowych Konduktywność 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 A 1 jest parametrem

Parametry materiałów półprzewodnikowych Krytyczne natężenie pola elektrycznego NB – koncentracja domieszki

Parametry materiałów półprzewodnikowych Temperatury 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

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

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

Parametry materiałów półprzewodnikowych Wskaźniki 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: Znormalizowane wartości FOMs. 1989 r. , Baliga: 1989 r. , Shenai: 2004 r. , Huang: 2005 r. , Baliga:

Status komercyjny elementów półprzewodnikowych Czołowi producenci elementów elektronicznych wykonanych z nowoczesnych materiałów półprzewodnikowych

Status komercyjny elementów półprzewodnikowych Diody Schottky’ego z węglika krzemu (Si. C Schottky) q około 70 typów diod q 600 V, 650 V, 1200 V, 1700 V q różne rodzaje obudów Przykład: dioda o symbolu C 3 D 25170 H zaskakująco niska Tj ! * http: //www. cree. com

Status komercyjny elementów półprzewodnikowych Tranzystory MOS z węglika krzemu (Si. C MOSFET) q 7 typów tranzystorów q 1200 V, 1700 V

Status komercyjny elementów półprzewodnikowych Tranzystory HEMT z azotku galu (Ga. N HEMT) q około 40 typów tranzystorów

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

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

Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowych Dioda Schottky’ego On. Semiconductor Cree, Inc. Si. C Si On. Semiconductor Si Cree, Inc. Si. C

Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowych Dioda Schottky’ego Si. C Infineon Technologies IDW 40 G 65 C 5

Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowych Tranzystor MOS Si IRF 840 Vishay Siliconix q q małe u. GS - T↑ i. D↑ duże u. GS - T↑ i. D↓ punkt autokompensacji termicznej Si. C – zależności analogiczne

Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowych Tranzystor MESFET California Eastern Laboratories Ga. As Cree, Inc. Si. C Ga. As

Charakterystyki izotermiczne elementów półprzewodnikowych Tranzystor bipolarny (BJT) 2 SC 5294 BTSi. C 1206 Si Si. C Panasonic Tran. Si. C

Zjawisko samonagrzewania Mechanizm zjawiska samonagrzewania energia 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.

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

Zjawisko samonagrzewania Mechanizmy odprowadzania (dostarczania) ciepła Ø Konwekcja Ø Promieniowanie Ø 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

Zjawisko samonagrzewania Skupiony model termiczny W 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 T 0 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.

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Parametry 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) = P 0∙ 1(t). Tak więc: gdzie ΔT(t) oznacza nadwyżkę temperatury wnętrza Tj(t) elementu ponad temperaturę odniesienia T 0. W zależności od przyjętej we wzorze wartości T 0, można zdefiniować dwie, przydatne w praktyce, przejściowe impedancje termiczne. Dla T 0 = TC, co oznacza przyjęcie stałej temperatury obudowy, z równania otrzymuje się przejściową impedancję termiczną złącze-obudowa Zthj-c(t). Natomiast w przypadku, gdy T 0 = Ta – stała temperatura otoczenia, wyznaczana jest przejściowa impedancja termiczna złączeotoczenie 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 P 0. Zatem rezystancja termiczna elementu stanowi wartość asymptotyczną przejściowej impedancji termicznej dla t →∞. Na przykład, tranzystor IRF 840: Rthj-c = 1 C/W, Rthj-a = 62, 5 C/W Jeżeli moc P 0 = 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)

Zjawisko samonagrzewania Skupiony model elektrotermiczny – zasada formułowania

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Metody pomiaru parametrów termicznych Ø metody niszczące § optyczne § chemiczne Ø metody nieniszczące § elektryczne

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Metody optyczne Ø 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

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

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

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Metody 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.

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Przykład metody elektrycznej Metoda pomiaru wg. Oettingera i Blackburna (*) wykorzystująca tzw. krzywe chłodzenia na przykładzie tranzystora MESFET z arsenku galu (NE 650103 M) oraz węglika krzemu (CRF 24010). 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.

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Przykład metody elektrycznej – realizacja układowa metody Etap II – nagrzewanie tranzystora badanego mocą o wartości P 0 Klucz S 1 i S 2 rozwarty – przez tranzystor badany (dren-źródło) płynie prąd o wartości IM+IH Etap III – studzenie tranzystora badanego – pomiar Tj(t) Klucz S 1 i S 2 zwarty – przez tranzystor (złącze bramka-źródło) płynie prąd pomiarowy IM

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

Parametry termiczne i metody ich pomiaru Przykładowe wyniki pomiarów

Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowych Dioda Schottky’ego kierunek przewodzenia kierunek zaporowy

Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowych Tranzystor bipolarny Si dodatnie termiczne sprzężenie zwrotne Si. C ujemne termiczne sprzężenie zwrotne

Charakterystyki nieizotermiczne elementów półprzewodnikowych Tranzystor MESFET

Pomiary charakterystyk elementów półprzewodnikowych

Plan referatu Ø Laboratorium pomiarowe – koncepcja realizacji Ø Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych Ø Przykładowe stanowiska pomiarowe

Laboratorium pomiarowe – koncepcja realizacji Laboratorium umożliwia zrealizowanie pomiarów wielu rodzajów charakterystyk i parametrów elementów półprzewodnikowych, w tym m. in. : q 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 2602 A oraz 2410 q pomiary parametrów termicznych elementu półprzewodnikowego, w tym rezystancji termicznej oraz przejściowej impedancji termicznej, § systemy pomiarowe własnej konstrukcji § przetworniki pomiarowe q 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).

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych System pomiarowy 4200 -SCS firmy Keithley

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – widok tylnej ścianki jednostki centralnej

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – testbox

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – przewody łączeniowe

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – Source Measure Units (SMUs)

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – przykłady układów pomiarowych charakterystyk elementów elektronicznych dioda tranzystor

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – przykład impulsowego pomiaru charakterystyk tranzystora

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych 4200 -SCS – przykład pomiaru pojemności tranzystora MOS

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych Źródło mierzące 2602 A System Source Meter

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych Źródło mierzące 2602 A System Source Meter

Charakterystyka i parametry wybranych urządzeń pomiarowych Przykładowa konfiguracja pomiaru