Полупроводники и Полупроводниковые приборы

XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их

особенность задолго до этого были обнаружены: 1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник 2. фотопроводимость. Были построены первые приборы на их основе. О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник- металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей). В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 - х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР. Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах. В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

Исторические сведения

от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия

различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры

полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк

и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).

в составе песка и кварца. Если Вы посмотрите на положение

кремния в периодической таблице Д.И. Менделеева, то увидите, что он находится за алюминием - Al, ниже углерода - C и выше германия - Ge.

Монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности на сегодняшний день

связи с четырьмя соседними атомами. При этом в кристалле кремния

нет свободных электронов и электрический ток через кристалл протекать не может, особенно при низких температурах. Поэтому кристалл кремния больше похож на изолятор, а не на проводник.

алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для

высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома.

Дырка
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с

собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний)

добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными

Электронные полупроводники (n-типа)

вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В

четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Дырочные полупроводники (р-типа)

до значений типичных для металлов (см рис. 5а). Однако для

ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т. д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q. Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например сплавы Te - Se, ботатые Te). Сплавы же Te - Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер.
В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов.
При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляется зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.

Жидкие полупроводники

основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.
Широкое

применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

Использование полупроводников

Браттейна и Бардина. Такой транзистор представляет собой кусочек германия n-типа,

припаянный к металлическому основанию, которое играет роль базового контакта. Эмиттерным и коллекторным контактами служат две заостренные бронзовые проволочки, прижатые концами к противоположной стороне германиевого элемента (СМ. следующий слаид). Если расстояние между такими точечными контактами достаточно мало (порядка нескольких десятков микрометров), то можно получить коэффициент усиления тока, превышающий единицу. Удовлетворительный эмиттер можно сделать почти из любого металла, но хороший коллектор обязательно должен содержать примесь n-типа. Коллекторные контакты формируются подачей на коллекторный вывод импульса сильного тока. При этом медь проволочки с большой скоростью диффундирует в материал n-типа коллектора (германий) и в небольшой области превращает его в материал p-типа. Медленно же диффундирующий материал примеси (скажем, фосфор) в непосредственной близости от контакта снова превращает материал в германий n-типа. В результате образуется структура pnpn-транзистора (транзистора с коллекторной ловушкой). Теория, объясняющая работу точечного транзистора образованием pnpn-структуры, оказалась наиболее приемлемой.

Транзисторные технологии

полупроводниковому кристаллу n-типа (германий), припаянному к металлическому кристаллодержателю. 1 –

латунный или иной кристаллодержатель; 2 – области p-типа; 3 – припой или золотой сплав (контакт базы); 4 – кристалл n-типа; 5 – эмиттерный точечный контакт (бериллиевая бронза); 6 – коллекторный точечный контакт (фосфористая бронза); 7 – область n-типа.

приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых

материалов.

работа которого основана на свойствах p-n - перехода.
Основным свойством p-n

– перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.
Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.
Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.
Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U).

преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.
Отличительной особенностью транзистора

является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.
Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.
- по значению предельной

частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.
- по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.
- по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.
- по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

режимах:
1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в

аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».
2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.
3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.
Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

процессами и сигналами. Электронные индикаторы устанавливается в различное бытовое и

промышленное оборудование для информирования человека об уровне или значении различных параметров, например, напряжения, тока, температуры, заряде батареи и т.д. Часто электронным индикатором ошибочно называют механический индикатор с электронной шкалой.

поколения, позволяющие кардинально улучшить параметры преобразователей электрической энергии
Проводящие подложки и

эпитаксиальные структуры монокристаллического карбида кремния (SiC) 4Н политипа

прямые потери
FWD прямые потери
IGBT коммутационные потери
FWD коммутационные потери
Общие

коммутационные потери

Общие прямые потери

Общие потери инвертора

Мощностные потери на IGBT/FWD

IGBT коммутационные потери (Ватт)

FWD коммутационные потери (Ватт)

FWD прямые потери
(Ватт)

IGBT прямые потери
(Ватт)

Si FWD
Ватт

SiC10 FWD
Ватт

Снижение
%

Si FWD
Ватт

SiC10 FWD
Ватт

Существенное сокращение динамических потерь в IGBT

- Si диод вносит более 50% в динамические потери в результате энергии обратного восстановления

- SiC диод Шоттки устраняет эти потери, снижая суммарные потери в инверторе - более чем на 33%

- SiC диод Шоттки снижает интенсивность ЭМИ

SiC
Авиационная и космическая техника
Атомная энергетика
Авиарадары, СВЧ-связь
Нефтехимия
Электромобили
Светотехнические устройства

на основе светодиодов

Военно-морской флот

Металлургия и машиностроение

Азии обеспечивают многомиллионным контрактами фирмы и научные центры, которые разрабатывают

как военную, так и гражданскую электронику на SiC и нитриде галлия (GaN).
В результате этих работ сейчас на основе SiC и GaN за рубежом уже разработаны промышленные образцы приборов силовой электроники нового поколения на основе широкозонных полупроводниковых материалов и начато их серийное производство.

карбида кремния (SiC)
- в разработке
- в производстве

гг.

Площадь чипа – 6.7 мм×6.7 мм.

Активная площадь чипа –

0.16 см2

12 кВ, 10 А

2011 – 2012 гг.

Площадь чипа – 8.4 мм×8.4 мм.

Активная площадь чипа – 0.32 см2

15 кВ, 20 А

2012 – 2013 гг.

Площадь чипа – 1см×1 см.

Активная площадь чипа – 0.42 см2

17 кВ, 20 А

импульсного тока
в SiC модуле на запираемых тиристорах (GTO)

Общее количество
SiC

p GTO – 4 ряда
(8×10 кВ)

существенно сократить массо-габаритные показатели мощных преобразователей электрической энергии
150 Вт/дм3

116 Вт/дм3 833 Вт/дм3 3000 Вт/дм3
Величина удельной мощности

Современные преобразователи электрической энергии изготовленные на полупроводниковых приборах на основе кремния (Si)

Преобразователи электрической энергии изготовленные на полупроводниковых приборах на основе карбида кремния (SiC)

Достигнутые параметры*

Перспективные параметры**

- на 20-30% снизить потери электрической энергии в преобразователях;

- расширить сферы применения полупроводниковой электроники и ее функциональные возможности.

Si Инвертер
мощность 5 кВт,
объем 43 дм3

SiC инвертер фирмы APEI, Inc., (США)
мощность 5 кВт,
объем 6 дм3

ПЧ-ТТП-160-380-50-2 мощность 75 кВт,
объем 500 дм3

SiC преобразователь
мощность 75 кВт,
объем 2,5 дм3

* - источник: Семинар фирмы Acreo 2011 г. (Швеция)
** - источник: Семинар фирмы Acreo 2008 г. (Швеция)

150 кВт – 500 кВт), будет произведено около 120,000 единиц
К

2015 будет выпущен новый авианосец USS Gerald R. Ford (CVN-78) , который будет весить меньше на 170,000 кг. и занимать на 290 м3 меньше объема, благодаря использованию в нем преобразователей на карбид- кремниевых приборах вместо преобразователей на кремниевых приборах.

Образцы разрабатываемой военной техники США, в которой будут использованы приборы на основе карбида кремния (в рамках программы развития гибридного электрического транспорта Американской Армии )

Новое поколение Авианосцев, США

Тяжелая военная техника (дизельные двигатели на 225 кВт – 500 кВт), будет произведено около 95,000 единиц

Вполне вероятно, что к 2020 году значительная часть военной и гражданской силовой электроники США и стран НАТО будет производиться на основе SiC и GaN.

CPW3-1200S010

P1пр + P1дин
U0 = 0,65 В
rдин = 0,2 Ом
P1дин=2,2 Вт
 
N

– число диодов в модуле

Охладитель воздушный ОАО «Электровыпрямитель» тип 034:
тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда
Rthca
1,2 °С/Вт при естественном охлаждении;
0,31 °С/Вт при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с.

= 1,2 °C/Вт
Tmax = 225°C
T = 28 °C
Rthjc = 0,23

°C/Вт
Rthja = 1,43 °С/Вт