Radiační odolnost výkonových součástek na bázi SiC

Transkript

Diplomová práce
České
vysoké
učení technické
v Praze
F3
Fakulta elektrotechnická
Katedra mikroelektroniky
Radiační odolnost výkonových
součástek na bázi SiC
Stanislav Popelka
Květen 2013
Vedoucí práce: prof. Ing. Pavel Hazdra, CSc
Poděkování / Prohlášení
Rád bych poděkoval prof. Ing. Pavlu
Hazdrovi, CSc. za pomoc při identifikaci
vlivu ozáření na studované struktury a
za cenné rady při psaní této závěrečné
práce. Dále bych rád poděkoval Ing. Vítu Záhlavovi, CSc. za pomoc při návrhu
desek plošných spojů k navržené metodě měření. Také bych rád poděkoval Ing.
Jánu Milčákovi a Ing. Michalu Košťálovi z CV Řež s.r.o. za pomoc při návrhu experimentu a následné konzultaci.
Na závěr bych rád poděkoval Michaele
Slováčkové za jazykovou korekturu této
práce a Markovi Popelkovi, že je to na
tolik hodný kojenec, že tato práce vůbec
mohla vzniknout.
Prohlašuji, že jsem předloženou
práci vypracoval samostatně a že jsem
uvedl veškeré použité informační zdroje
v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě
vysokoškolských závěrečných prací.
V Praze dne 9. 5. 2013
........................................
iii
Abstrakt / Abstract
Tato práce se zabývá studiem vlivu
neutronového záření na MPS Schottky
diody na bázi karbidu křemíku. V rámci
práce byla navržena a realizováná metoda pro dynamické měření statických závěrných charakteristik výkonových součástek a identifikován vliv neutronů na
studovanou strukturu. Na závěr byl navržen a implementován SPICE model s
možností simulovat činnost součástky v
prostředí se zvýšenou radiací.
This thesis deals with an effect of
neutron irradiation on MPS Schottky
diodes based on silicon carbide. A
method for dynamic characterization of
static reverse characteristics of power
devices was designed and realized. An
impact of neutrons irradiation on the
diode was also identified and a SPICE
model was implemented to simulate
an activity of the components in an
environment with increased radiation.
iv
Obsah /
1 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 Historie a přehled . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Fyzikální vlastnosti SiC . . . . . . . . .2
1.2.1 Mechanické a chemické
vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.2.2 Elektrické vlastnosti . . . . . . .2
1.2.3 Tepelné vlastnosti. . . . . . . . . .2
1.2.4 Shrnutí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.3 Vliv ozáření na polovodiče . . . . . .3
1.3.1 Druhy radiačního poškození. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1.3.2 Krystalové poruchy . . . . . . . .3
1.3.3 Ionizace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4 Neutronové záření a jeho vliv
na SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
2 Součástky na bázi SiC . . . . . . . . . . . . .6
2.1 PIN dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2.2 SBD dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2.3 MPS dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.4 MOSFET tranzistor . . . . . . . . . . . . .8
2.5 J-FET tranzistor . . . . . . . . . . . . . . . . .8
3 Popis a návrh experimentu . . . . . . 10
3.1 Postup při ozařování . . . . . . . . . . . 10
3.2 Popis ozařované struktury . . . . . 12
4 Dynamické měření závěrných
charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1 Princip metody . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.1 Korekce naměřených
dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Realizace metody . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2.1 Obvodová realizace . . . . . . 15
4.2.2 Programová obsluha
metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2.3 Nastavení měřících přístrojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.2.4 MATLAB skript . . . . . . . . . 18
4.3 Kalibrace metody . . . . . . . . . . . . . . 19
4.4 Srovnání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.5 Výhody a nevýhody navržené metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 Vliv neutronů na ozařovanou
strukturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.1 Propustná charakteristika . . . . . 23
5.1.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2 Závěrná charakteristika . . . . . . . . 29
5.2.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6 SPICE model MPS diody . . . . . . .
6.1 Popis modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Propustná charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2 Závěrná charakteristika . .
6.1.3 Teplotní závislost . . . . . . . .
6.1.4 Úprava modelu . . . . . . . . . . .
6.1.5 Vliv neutronového záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Implementace a kalibrace
modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Závěr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A Zadání práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B Katalogový list C2D05120A . . . . .
C Deska plošného spoje . . . . . . . . . . . .
D Obsah přiloženého CD . . . . . . . . . . .
v
32
32
32
33
34
34
35
35
39
42
43
45
47
51
53
Tabulky / Obrázky
1.1. Porovnání Si vs. SiC . . . . . . . . . . . . .3
1.2. Rozdělení neutronů . . . . . . . . . . . . . .5
3.1. Rozdělení diod do jednotlivých skupin . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2. Obdržené dávky neutronů . . . . . 11
5.1. Odečtené parametry diod . . . . . . 24
5.2. Emisní koeficient a
rychlost nárůstu . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.3. Relativní změna vodivosti diod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.4. Absolutní změna vodivosti diod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.5. Vodivost a koeficient
degradace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.6. Odečtené koncentrace . . . . . . . . . . 28
5.7. Koncentrace a rychlost
degradace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.8. Průrazná napětí . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.1. Parametry modelu . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
3.1.
3.2.
3.3.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
vi
Struktura PIN diody . . . . . . . . . . . . .6
Struktura SBD diody . . . . . . . . . . . .7
Struktura MPS diody . . . . . . . . . . . .7
Struktura VDMOS a
TrenchMOS tranzistoru . . . . . . . . . .8
Struktura normally-on
J-FET tranzistoru . . . . . . . . . . . . . . . .8
Zapojení norm.-on JFET jako norm.-off . . . . . . . . . . . . . .9
Řez reaktoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Spektrum neutronů . . . . . . . . . . . . 11
Spektrum fotonů . . . . . . . . . . . . . . . 12
Model diody při závěrné
polarizaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Blokové zapojení měřící
metody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Obvodová realizace metody . . . . 15
Vývojový diagram obslužného programu . . . . . . . . . . . . . 16
Porovnání výsledků měření pomocí analyzátoru a navržené metody . . . . . . . . . . 20
Porovnání statického a
dynamické měření . . . . . . . . . . . . . . 20
Vypočtená závislost bariérové kapacity . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Porovnání měření pro
různé rychlosti. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Náhradní obvod MPS diody . . . 23
Propustné charakteristiky v oblasti nízké injekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Propustné charakteristiky v oblasti vysoké
injekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Nárůst emisního koeficientu v závislosti na
obdržené dávce . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Pokles vodivosti v závislosti na obdržené
dávce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Koncentrační profily v
závislosti na obdržené dávce . . . 27
Pokles koncentrace v
závislosti na obdržené dávce . . . 28
5.8. Porovnání rychlosti degrade vodivosti vs. koncentrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9. Porovnání závěrných
charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10. Porovnání průrazných napětí . .
6.1. Příklad propustné charakteristiky modelu diody . . . . .
6.2. SPICE model . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Simulace - porovnání
propustné charakteristiky . . . . . .
6.4. Simulace - porovnání
závěrné charakteristiky . . . . . . . .
6.5. Simulace - ukázka propustných charakteristik
pro různé dávky . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6. Schéma zapojení usměrňovače .
6.7. Výkonová ztráta na diodě. . . . . .
6.8. Úbytky napětí na diodě . . . . . . . .
6.9. Úbytky napětí na
diodě-detail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vii
29
30
30
32
35
38
39
39
40
40
41
41
Kapitola
Úvod
1
Součástky na bázi SiC mají pro své specifické vlastnosti, které v mnoha směrech značně
překonávají součástky založené na Si, potenciál k využití v aplikacích tam, kde Si součástky jsou již za hranicí svých možností. Chceme-li tento potenciál využít, je třeba
znát veškeré jejich vlastnosti a jednou z důležitých vlastností je i radiační odolnost.
Tato práce navazuje na řešení grantu Centra výzkumu Řež „Kapacita za nápady“,
v rámci kterého bylo provedeno samotné ozařování vzorků rychlými neutrony, dále na
řešení grantu GACR P102/12/2108 - Poruchy v širokopásových polovodičích a jejich význam pro výkonovou a vysokoteplotní elektroniku a grantu SGS11/156/OHK3/3T/13 Rozvoj inteligentních součástek a systémů v oblasti mikroelektroniky, nanoelektroniky
a optoelektroniky (RISMiNO).
Práce je rozdělena do několika kapitol. Úvodní kapitola je zaměřena na popis samotného karbidu křemíku a jeho fyzikálních vlastností v porovnání s křemíkem a vliv
radiačního záření na polovodiče. V další kapitole je popsán návrh a realizace metody
pro dynamické měření statických závěrných charakteristik výkonových součástek. Dále
se práce zabývá popisem a studiem vlivu neutronového záření na elektrické parametry součástek a v závěru práce je navržen SPICE model SiC MPS Schottky diody s
možností simulace vlivu neutronového záření.
1.1
Historie a přehled
Karbid křemíku (SiC) je sloučenina křemíku a uhlíku. Označuje se také jako Karborundum. Jeho průmyslová produkce začala již v roce 1893 a první jeho využití bylo díky
tvrdosti výroba řezacích kotoučů a jiných dělících nástrojů. Díky jeho další vlastnosti
odolávat vysoké teplotě se používá k výrobě žáruvzdorných krytů a brzdových kotoučů.
Další využití má v astronomii k výrobě zrcadel do teleskopů, ke které se hodí díky nízké
tepelné roztažnosti.
V elektrotechnickém průmyslu byl SiC v historii používán k výrobě žlutých a modrých
LED diod. V současné době vyrábí např. společnost Cree LED diody z SiC v kombinaci
s InGaN, kde SiC tvoří základní substrát.
Dále jsou k dispozici SiC Schottky (SBD) diody od výrobců Infineon, Cree, Rohm,
kde např. Infineon nabízí diody s blokovacím napětím 600V/16A, 650V/40A a
1200V/30A a v nedávné době byla uvedena dioda 1700V/25A od společnosti Cree.
Další nabízenou součástkou jsou tranzistory J-FET. Např. od společnost Semisouth,
která již v tuto dobu neexistuje, je k dispozici tzv. normally-off J-FET (1700V/4A),
který se vyznačuje tím, že je bez přivedeného napětí na řídící elektrodě vypnutý. Dále
společnost Infineon nabízí J-FET 1200V což je klasický normally-on tranzistor ze kterého lze pomocí technologie „Direct Drive“ vytvořit normally-off.
Další součástkou, která byla uvedena v roce 2011 jsou SiC MOSFET tranzistory
1200V/35A od společnosti Rohm a Cree.
K dispozici jsou dále výkonové moduly obsahující MOSFET tranzistory a SBD diody
s možnostmi až 1200V/180A od společností Rohm a Cree. Společnost Fairchild Semiconductor nabízí i výkonové SiC bipolární tranzistory (BJT) na napětí až 1200V. Také
1
1. Úvod
..............................................
jsou k dispozici výkonové SiC tyristory na napětí až 6,5kV/80A od společnosti GeneSiC
Semiconductor.
1.2
Fyzikální vlastnosti SiC
Karbid křemíku existuje v různých krystalických formách. Hlavními polytypy jsou: 3CSiC, 4H-SiC a 6H-SiC.
K značení je použita tzv. Ramsdellova notace, kde číslo určuje počet vrstev, které
tvoří jednu opakovací sekvenci a písmeno určuje typ krystalické mřížky (C) - kubická,
(H) - hexagonální a (R) - romboedrická. [1]
1.2.1
Mechanické a chemické vlastnosti
SiC je materiál velmi tvrdý (9 na Mohsově stupnici). Yangův modul pružnosti SiC je
424GPa. Je chemicky inertní a slabě reakční s jakýmikoliv materiály za pokojové teploty.
Difúze je tedy prakticky nemožná. Dotace je třeba provést např. iontovou implantací
nebo při epitaxi.
Možné příměsi pro n-typ: N, P, Ti, Cr a pro p-typ: Al, B, Ga, Be. [2, 1]
1.2.2
Elektrické vlastnosti
SiC je obecně anisotropní nepřímý polovodič, patřící do skupiny polovodičů s velkou
šířkou zakázaného pásu (od 2,39eV až do 3,33eV - podle polytypu). Díky této vlastnosti
mohou součástky pracovat do vysokých teplot až cca 600 ◦ C. V současné době to je
mnohem méně, limitujícím faktorem je pouzdro a kontaktování. Nejčastěji používaným
polytypem je 4H-SiC (3,265eV).
Max. intenzita elektrického pole je pro SiC cca 10x vyšší než pro Si, což dává možnost
vytvářet součástky na mnohem vyšší závěrná napětí, resp. v porovnání se součástkami
z Si na stejné jmenovité napětí je možné použít více dotované a tenčí vrstvy což se
pozitivně projeví např. na vodivostní ztrátě. Velikost průrazného napětí je závislá na
dotaci a tloušťce vrstvy. Intrinsická koncentrace je v porovnání s Si o 9 až 19 řádů menší
(podle polytypu).
Saturační driftová rychlost nosičů je cca 2 · 107 cm/s což je 2x více než pro Si a tedy
součástky na bázi SiC jsou v porovnání s Si vhodnější na výkonové vf aplikace. [1, 3]
1.2.3
Tepelné vlastnosti
Velmi důležitým parametrem pro výkonové a vf aplikace součástek na bázi SiC je tepelná vodivost. SiC má větší tepelnou vodivost než např. Cu při pokojové teplotě a cca
3x větší než Si, což je výhodné, protože vzrůstající teplota negativně ovlivňuje fyzikální
vlastnosti součástek. Jedním z důležitých parametrů je např. pohyblivost nosičů, která
se se vzrůstající teplotou snižuje. [1]
SiC má cca 2x větší tepelnou roztažnost (4 · 10−6 K −1 ) než Si, což při spojení s
SiO2 (5,5 · 10−7 K −1 ) zvyšuje rozdíl v roztažnosti oproti spojení oxidu křemíku s Si. V
porovnání s Cu (17 · 10−6 K −1 ) a Al (22 · 10−6 K −1 ) se tento rozdíl naopak snižuje. [3]
1.2.4
Shrnutí
V tabulce 1.1 je porovnání vlastností jednotlivých polytypů s křemíkem. Symboly (k c)
a (⊥ c) označují směr vůči ose růstu C.
2
.....................................
Eg [eV ]
Šířka zakázaného pásu
Ec [M V /cm]
Max. intenzita el. pole
εr [−]
Dielektrická konstanta
µn [cm2 /V s]
Pohyblivost elektronů
µn [cm2 /V s]
Pohyblivost děr
vsat [107 cm/s]
Saturační rychlost nosičů
ni [cm−3 ]
Intrinsická koncentrace
λth [W/cm · K]
Tepelná vodivost
1.3 Vliv ozáření na polovodiče
Si
4H-SiC
6H-SiC
3C-SiC
1,12
3,26
3,02
2,2
0,28
2,2
2,2
1,5
11,8
10
9,7
9,66
1350
800 (⊥ c)
1000 (k c)
400 (⊥ c)
90 (k c)
900
110 (⊥ c)
140 (k c)
2,2 (⊥ c)
0,33 (k c)
100 (⊥ c)
20 (k c)
2 (⊥ c)
0,2 (k c)
1,4 · 1010
8,2 · 10−9
2,3 · 10−6
6,9
1,5
4,9
4,9
4,9
480
1
40
2,5
Tabulka 1.1. Porovnání vlastností jednotlivých polytypů s křemíkem. (Hodnoty pro teplotu 300K a dotaci 1015 cm−3 ). Tabulka je převzata z [3].
1.3
Vliv ozáření na polovodiče
Studium vlivu ozáření různými druhy částic s různou energií je důležité jak z hlediska
schopnosti součástek pracovat v prostředí se zvýšenou radiací, tak i např. z hlediska
využití polovodičů jako detektorů.
1.3.1
Druhy radiačního poškození
Rozlišují se dva základní druhy poškození polovodičových součástek: [4]
.
.
Krystalové poruchy: Srážka částice s atomem mřížky způsobí jeho dislokaci. Podle
velikosti předané energie a hybnosti ne-ionizujícího záření atomu mřížky, jsou možné
2 druhy poruch: jednoduché poruchy a shluky (clustery). [5] Energie a hybnost předaná částici závisí na její hmotnosti a energii dopadajícího kvanta. Vzniklé poruchy
v krystalu se mohou pohybovat.
Ionizace: Týká se dielektrických vrstev. Při interakci dojde k uvolnění nosiče, který
pomocí difúze nebo driftu putuje na jiné místo, kde je zachycen. Zde způsobuje
koncentraci náboje, což má za následek vznik parazitního elektrického pole. Ionizační
poškození závisí primárně na velikosti absorbované energie a je nezávislé na druhu
ozáření.
1.3.2
Krystalové poruchy
Krystalové poruchy v polovodičích mají významný dopad na jejích elektrické vlastnosti.
Krystalové poruchy se projevují v několika oblastech:
.
Vznik rekombinačně/generačních energetických hladin přibližně uprostřed zakázaného pásu.
3
1. Úvod
.
.
..............................................
Vznik pastí blízko valenčního a vodivostního pásu nebo blízko středu zakázaného
pásu.
Kompenzaci donorů a akceptorů.
Krystalové poruchy významně ovlivňují materiálové parametry jako pohyblivost nosičů µ a jejich koncentraci N , měrný odpor ρ a dobu života nosičů τ . Po vystavení
polovodiče radiačnímu záření je nejčastěji pozorován nárůst měrného odporu. Tento
nárůst je kombinací dvou jevů. Prvním jevem je pokles koncentrace volných nosičů
vlivem odstranění příměsí z jejich aktivní polohy uvnitř mřížky. Druhým jevem je vytvoření hlubokých úrovní, které změní nábojovou rovnováhu, a skrz Fermi-Diracovu
statistiku změní polohu Fermiho hladiny. Také v mnoha případech je náboj mělkých
úrovní, které jsou vytvořeny příměsi, kompenzován hladinami vzniklými vlivem ozáření,
což má také za následek pokles koncentrace volných nosičů. [6] Pokles pohyblivosti je
způsoben poruchou periodicity krystalu a tím zvýšení rozptylu elektronů. Vzniklé pasti
blízko valenčního a vodivostního pásu mohou způsobovat nárůst velikosti výstřelového
šumu. [4]
1.3.3
Ionizace
Jak již bylo zmíněno výše, ionizace se týká dielektrických vrstev. Jako příklad součástky,
na kterou bude mít ionizace velký vliv, je MOSFET tranzistor. Dielektrická vrstva pod
elektrodou hradla SiO2 vystavená ozáření, které způsobuje ionizaci vygeneruje ve vrstvě
SiO2 pár e− – h+ .
Elektrony, jelikož mají vyšší pohyblivost než díry, nezrekombinují s děrami, ale jsou
injekovány do substrátu. Díry mohou být zachyceny v objemu oxidu nebo pastmi na
rozhraní SiO2 -Si a vytvářejí zde kladný náboj. Zachycený náboj na rozhraní SiO2 -Si
pak vytváří pro N-MOSFET parazitní kanál.
Ionizační záření také vytváří nové energetické hladiny v zakázaném pásu rozhraní
SiO2 -Si. Tyto hladiny mohou být obsazeny elektrony nebo děrami (podle polohy Fermiho hladiny v rozhraní) a přičítají se nebo odečítají k náboji oxidu. [7, 4]
1.4
Neutronové záření a jeho vliv na SiC
Neutronového záření můžeme v přírodě pozorovat při průchodu kosmického záření atmosférou, kde dochází k interakci s částicemi vzduchu, nebo při spontánním štěpením
atomů. Uměle pak můžeme neutronové záření vytvářet v jaderném reaktoru nebo výbuchem jaderné bomby.
Neutron je částice elektricky neutrální, tj. bez elektrického náboje. Jeho hmotnost
je téměř stejná jako hmotnost protonu, tj. 1,67 · 10−27 kg. Dle statistického chování se
řadí do skupiny fermionů, tzn. částic s poločíselným spinem, takže pro něj platí Pauliho
vylučovací princip a podléhají Fermiho-Diracově statistice.
Rychle letící neutron, díky své neutralitě, nemůže přímo ionizovat atom, a proto
snadno proniká elektronovými obaly atomu a může interagovat s jádrem. V Tab. 1.2 je
rozdělení neutronů podle energií.
Z hlediska vlivu neutronů na polovodiče jsou významné rychlé a případně i tepelné
neutrony. Rychlé neutrony mají dostatečnou energii na to, aby způsobily krystalové poruchy. Pravděpodobnost neutronového záchytu jádrem je u nich velice malá díky jejich
vysoké energii. Tepelné neutrony, jejichž střední energie je rovna střední tepelné energii
atomů v jejich okolí, můžou mít v závislosti na účinném průřezu vysokou pravděpodobnost záchytu neutronu v jádře. Jedním z prvků s velkých účinným průřezem je bor (B),
4
.................................
1.4 Neutronové záření a jeho vliv na SiC
Spektrální skupina
Energie
Ultrachladné
Chladné
Tepelné
Rezonanční
Středně energetické
Rychlé
Vysokoenergetické
< 10−6 eV
10−6 – 0,001 eV
0,001 – 0,5 eV
0,5 - 1000 eV
1 – 500 keV
0,5 - 20 MeV
> 20 Mev
Tabulka 1.2. Rozdělení neutronů podle energíí.
který se v polovodičích používá k P dotaci a jeho účinný průřez je kolem 3800 barn.1 )
Při této interakci dochází k štěpení jádra boru na alfa částici a iont lithia.
U karbidu křemíku, díky jeho velké šířce zakázanému pásu, je předpokládána dobrá
radiační odolnost, protože „prahová“ energie pro vytržení atomu z mřížky je v porovnání
s Si poměrně velká. Podle [6] je rychlost degradace koncentrace volných elektronů v
porovnání s křemíkem vlivem poruch v krystalu až 3x menší. Dopadající neutronové
záření způsobuje poruchy v krystalu popsané v 1.3.2.
1
) 1 barn = 10−28 m2
5
Kapitola 2
Součástky na bázi SiC
2.1
PIN dioda
V současné době není k dispozici komerčně dostupná PIN dioda na bázi SiC, ale její
struktura je součástí jiných struktur (MPS). Experimentálně byly vytvořeny PIN diody
s blokovacím napětím i kolem 10kV. [8] Na Obr. 2.1 je znázorněna struktura PIN diody.
Obrázek 2.1. Struktura PIN diody. Zdroj [9]
Výkonové PIN diody se vyznačují velkým blokovacím napětím, které je způsobenou
velkou tloušťkou a malou dotací vrstvy I (n− epitaxní vrstva). V propustném směru
vykazují PIN diody v porovnání s SBD (Schottky barrier diode) na stejné závěrné
napětí menší propustný úbytek, což je dáno tím, že PIN dioda je bipolární součástka a
oblast I je zaplavena jak elektrony tak i děrami. Tím vrstvě I rapidně vzroste vodivost.
Nevýhodou jsou pak špatné dynamické vlastnosti v porovnání s SBD diodou, jako je
např. závěrná doba zotavení (lze ji eliminovat vytvořením rekombinačních center v
oblasti I a tím zkrátit dobu života nosičů). [10]
Oblast označená jako JTE (junction termination extension) potlačují prorážení diody
na jejích okrajích, způsobené velkou intenzitou elektrického pole. Bez těchto oblastí by
průraz diody nastal mnohem dříve.
2.2
SBD dioda
V současné době jsou komerčně dostupné diody označené jako SBD (Schottky barrier
diode) na bázi SiC. Ve skutečnosti se ale může jednat o strukturu MPS (bude popsána
dále) a to hlavně u diod na větší závěrná napětí. Na Obr. 2.2 je struktura SBD diody.
SBD dioda v porovnání s PIN diodou nabízí podstatně lepší dynamické vlastnosti,
protože se jedná o unipolární součástku. Díky vlatnostem SiC lze vytvořit SBD diodu
na mnohem větší závěrná napětí než mají Si SBD diody. O proti PIN diodě má nižší
prahové napětí, ale v porovnání obou diod na stejné závěrné napětí, bude vykazovat
SBD dioda větší propustný úbytek, protože vodivost epitaxní vrstvy bude nižší. [10]
Oblast GR (guard ring) má stejnou funkci jako oblast JTE u PIN diody.
6
...........................................
2.3 MPS dioda
Obrázek 2.2. Struktura SBD diody. Zdroj [11]
2.3
MPS dioda
Komerčně dostupná pod označením SBD dioda. Na Obr. 2.3 je struktura MPS diody.
MPS (Merged PIN Schottky) je spojení Schottky (SBD) a PIN diody. Schottky dioda
(přechod: kov, n− ) přináší dobré propustné a dynamické vlastnosti, ale vyznačuje se
poměrně velikým závěrným proudem hlavně při vysokých závěrných napětí a teplotách.
Naopak PIN dioda (přechod: p+ , n− ) přináší dobré závěrné vlastnosti, ale vykazuje větší
propustný úbytek. Kombinací obou diod jsou jednotlivé negativní vlastnosti vzájemně
potlačeny.
Implantované p+ oblasti vytvářejí ve struktuře SBD diody „paralelně připojenou“
PIN diodu. Oblasti mají mezi sebou relativně malé vzdálenosti a jejich cílem je odstínit
Schottkyho kontakt od vysoké intenzity elektrického pole při závěrné polarizaci. To vede
ke snížení závěrného proudu a zvýšení průrazného napětí diody. [10]
Při propustné polarizaci je prahové napětí SBD diody menší něž prahové napětí implantované PIN diody, a proto se v počátku propustné charakteristiky PIN dioda neuplatní. Oblasti na okrajích diody označené jako MJTE (Multistep junction termination
extension) potlačují prorážení diody na jejích okrajích, způsobené velkou intenzitou
elektrického pole. Bez přítomnosti této oblasti by bylo průrazné napětí diody mnohem
menší. Dioda se vyznačuje kladnou teplotní závislostí propustného úbytku, nulovou
dobou závěrného zotavení, nulovou dobou propustného zotavení a vysokou rychlostí
spínání. [12]
Obrázek 2.3. Struktura MPS diody. Zdroj [13].
7
2. Součástky na bázi SiC
2.4
.......................................
MOSFET tranzistor
Teprve nedávno v r.2011 byly na trh uvedeny MOSFET tranzistory na bázi SiC (Cree a
ROHM). Společnost ROHM uvádí, že se jedná o tranzistory typu DMOS (1200V/35A)
a TrenchMOS (300A). Na Obr. 2.4 je struktura vertikálního DMOS tranzistoru a TrenchMOS tranzistoru. MOSFET tranzistory na bázi SiC se vyznačují malým odporem kanálu při vysokém závěrném napětí (80mΩ) a možností pracovat až do teploty 150 ◦ C. [14]
Obrázek 2.4. a) Struktura VDMOS tranzistoru, b) struktura TrenchMOS tranzistoru.
Zdroj [15].
2.5
J-FET tranzistor
Komerčně jsou k dispozici 2 druhy J-FET tranzistrů na bázi SiC. Původně sloužily
jako alternativa za komerčně neexistující SiC MOSFET tranzistory, které se potýkaly s
problémy jako nízkou pohyblivostí nosičů v kanále, kvalitou oxidu, velkou injekcí nosičů
do oxidu apod. Na Obr. 2.5 je struktura vertikálního normally-on J-FET tranzistoru a
normally-off J-FET tranzistoru.
Obrázek 2.5. a) Struktura normally-on J-FET tranzistoru, b) Struktura normally-off JFET tranzistoru. Zdroj [16–17].
8
.........................................
2.5 J-FET tranzistor
Tranzistor a) je v porovnání s b) pro napětí Ugs = 0V otevřený a pro záporná
napětí Ugs se zavírá (rozšiřuje se oblast prostorového náboje OPN). Dnes již neexistující
společnost SemiSouth nabízí tzv. normally-off J-FET tranzistor. Ten se vyznačuje tím,
že je bez přivedeného napětí na řídící elektrodu vypnutý. Do sepnutého stavu se uvede
přiložením kladného napětí Ugs .
Princip normall-off tranzistoru je takový, že díky úzkému kanálu a faktu, že na přechodu p+ − n− se OPN rozšíří hlavně do oblasti n− je kanál zaškrcen. Přivedením
kladného napětí se OPN zmenší a tranzistor se otevře. Nevýhodou tohoto tranzistoru
může být poměrně veliký řídící proud.
Na Obr. 2.6 je příklad zapojení normally-on J-FET tak, aby se obvod navenek choval
jako normally-off J-FET.
Obrázek 2.6. Zapojení normally-on J-FET jako normally-off. Zdroj [10].
9
Kapitola 3
Popis a návrh experimentu
3.1
Postup při ozařování
K ozařování vzorků neutrony byl ve spolupráci s Centrem Výzkumu Řež s.r.o. využit
výzkumný reaktor LR-0. Jedná se o lehkovodní reaktor nulového výkonu (1kW). Ozařované diody byly rozděleny do 4 skupin. V Tab. 3.1 je rozdělení označených diod do
jednotlivých skupin.
Diody
Skupina
Ref1, Ref2, Ref3
D1, D5, A-A, A-B
D2, B-A, B-B, B-C
D4, C-A, C-B
D6, D-A, D-B, D-C
A
B
C
D
Tabulka 3.1. Rozdělení diod do jednotlivých skupin.
Diody označené jako RefX nebyly ozařovány a byly uchovány jako referenční. Diody
označené jako Dx byly před ozařováním zcharakterizovány, tzn. naměřeny propustné
charakteristiky v oblasti vysoké injekce. Ostatní diody byly doplněny nezcharakterizované.
Obrázek 3.1. Řez reaktoru LR-0.
10
.......................................
3.1 Postup při ozařování
Skupina
< 1eV [1/cm2 ]
(0,1 – 1)MeV [1/cm2 ]
> 1MeV [1/cm2 ]
Čas [hod]
A
B
C
D
6,90E+12
3,42E+13
8,54E+13
2,04E+14
6,55E+12
3,25E+13
8,15E+13
1,93E+14
6,46E+12
3,20E+13
8,04E+13
1,91E+14
4
20
50
119
Tabulka 3.2. Obdržené dávky neutronů jednotlivých skupin.
Na Obr. 3.1 je řez reaktoru LR-0. Vzorky byly vloženy do malé plechové nádoby,
která byla umístěna ve středu centrálního kanálu, kde je nejvyšší tok neutronů. Velikosti
jednotlivých dávek byly navrženy podle výsledků z [18] tak, aby degradace elektrických
parametrů byla rovnoměrně rozdělena.
V tabulce 3.2 jsou uvedeny dávky neutronů s energiemi pod 1eV (tepelná složka),
(0,1 – 1)MeV a nad 1MeV, které jednotlivé skupiny vzorků obdržely a čas, po jaký byly
jednotlivé skupiny ozařovány. Střední hodnota výkonu byla po čas ozařovacích cyklů
686W.
1 3
1 0
1 2
1 0
1 1
1 0
1 0
n [1 /c m
2
]
1 0
1 0
9
1 0
8
s k .
s k .
s k .
s k .
1 0
-8
1 0
-7
1 0
-6
D
C
B
A
1 0
-5
1 0
-4
1 0
-3
1 0
-2
1 0
-1
1 0
0
1 0
1
E n e r g ie [M e V ]
Obrázek 3.2. Spektrum grupového toku dopadajících neutronů.
Na Obr.3.2 a 3.3 jsou spektra grupových toků neutronů a fotonů.1 ) Po provedení
ozáření jednotlivých skupin, byla zjištěna poměrně značná aktivita ozařovaných vzorků.
Tepelné neutrony aktivovaly měď obsaženou ve vzorcích a vznikl radionuklid mědi, jehož
poločas rozpadu je cca 12h, takže to nepředstavovalo vážnější problém pro další práci
se vzorky.
1
) počet částic na cm2 je vždy měřen pro určitou grupu energií
11
.....................................
3. Popis a návrh experimentu
1 4
1 0
1 3
1 0
1 2
1 0
1 1
n [1 /c m
2
]
1 0
1 0
1 0
s k .
s k .
s k .
s k .
1 0
D
C
B
A
9
1
2
3
4
5
6
7
E n e r g ie [M e V ]
Obrázek 3.3. Spektrum grupového toku dopadajících fotonů.
3.2
Popis ozařované struktury
V rámci experimentu byly ozařovány MPS Schottky diody C2D05120A (1200V/5A, TO220) od společnosti Cree a samotné čipy bez pouzdra CPW3-1700S025 (1700V/25A)
také od společnosti Cree. Struktura MPS diody byla popsána v kapitole 2.3. Úplné
katalogové listy jsou v příloze.
Katalogové údaje diody C2D05120A:
..
..
Závěrné napětí UR : 1200V
Závěrný proud IR : max. 200µA (UR = 1200V, TJ = 25 ◦ C)
Střední hodnota propustného proudu IF : 5A (TC = 160 ◦ C)
Propustný úbytek UF : max. 1.8V (IF = 5A, TJ = 25 ◦ C)
Katalogové údaje čipu diody CPW3-1700S025:
..
.
Závěrné napětí UR : 1700V
Závěrný proud IR : max. 100µA (UR = 1700V, TJ = 25 ◦ C)
Střední hodnota propustného proudu IF : 25A (TJ = 175 ◦ C)
12
Kapitola 4
Dynamické měření závěrných charakteristik
Měření závěrných charakteristik diod nebo jiných součástek klasickou statickou metodou má několik nevýhod. První je časová náročnost měření. Závěrná napětí výkonových
součástek jsou poměrně velká a proměřit celou charakteristiku s dostatečně malým krokem může trvat i desítky minut. Další nevýhodou může být tepelné zatěžování vlastním
měřením a to hlavně při vysokých teplotách, kdy hodnota závěrného proudu může být z
hlediska výkonové ztráty významná. Proto byla vyvinuta metoda dynamického měření
statických závěrných charakteristik. Metoda byla navržena primárně pro měření závěrných charakteristik výkonových diod, ale lze jí bez problémů použít k měření i jiných
typů součástek.
4.1
Princip metody
Principem metody je přivedení lineárně narůstajícího napětí za současného měření procházejícího proudu diodou. V případě ideální diody, která by nevykazovala žádnou
bariérovou kapacitu a ani jiné parazitní kapacity, bychom rovnou naměřili její závěrnou
charakteristiku. Ve skutečnosti tomu tak ale není a je třeba blíže specifikovat, co je
výsledkem měření.
Obrázek 4.1. Model diody při závěrné polarizaci.
Na obrázku 4.1 je model diody pro závěrnou polarizaci. Dioda D představuje ideální
diodu a kapacita C bariérovou kapacitu. Proud i, který metoda měří, je tedy tvořen
proudem diody a posuvným proudem procházejícím skrz bariérovou kapacitu. Matematicky tedy můžeme proud i za podmínky lineárně narůstajícího napětí na diodě vyjádřit
následovně:
i = id + ic = id + C
du
= id + SR · C
dt
(1)
kde SR [V/s] označuje rychlost přeběhu přiloženého napětí. Kapacita C bude se vzrůstajícím napětím na diodě klesat a tím bude i klesat složka posuvného proudu procházejícím bariérovou kapacitou. Od určitého napětí bude tento proud natolik malý, že
změřená charakteristika bude odpovídat statické závěrné charakteristice.
13
4. Dynamické měření závěrných charakteristik
4.1.1
...............................
Korekce naměřených dat
Aby metoda podávala srovnatelné výsledky s klasickou statickou metodou, je třeba
korigovat vliv posuvného proudu. Matematicky můžeme korekci popsat následující soustavou rovnic:
i1 = id + SR1 · C
(2)
i2 = id + SR2 · C
(3)
kde i1 označuje změřený proud při rychlosti přeběhu přiloženého napětí SR1 a i2 označuje změřený proud při rychlosti přeběhu přiloženého napětí SR2. Řešení soustavy
rovnic:
i1 − i2 = C(SR1 − SR2)
i1 (U ) − i2 (U )
C(U ) =
SR1 − SR2
id (U ) = i1 (U ) − C(U ) · SR1
(4)
(5)
(6)
Princip řešení tedy spočívá ve výpočtu závislosti bariérové kapacity na přiloženém napětí. Změna bariérové kapacity nezávisí na rychlosti přeběhu přiloženého napětí. Pokud
tedy změříme proud při dvou různých rychlostech měření, pak lze z naměřených proudů
určit závislost bariérové kapacity na napětí a změřený proud korigovat o složku posuvného proudu.
4.2
Realizace metody
Obrázek 4.2. Blokové zapojení měřící metody.
Na Obr. 4.2 můžeme vidět principiální zapojení měřící metody. Čárkované spoje označují řídící signály a plné spoje samotnou měřící trasu. Jako VN zdroj byl použit zdroj
PS350 od Stanford Research System. Jedná se o zdroj s rozsahem výstupního napětí
50V-5kV a maximálním výstupním proudem 5mA, s možností řídit externím napětím
výstupní napětí zdroje. Pro měření napětí z převodníku I/U a napětí na diodě byly
14
........................................
4.2 Realizace metody
použity multimetry s velkou pamětí, konkrétně Agilent 34410A, které mají k dispozici
paměť až pro 50.000 vzorků. Jako generátor(GEN), který řídí VN zdroj a spouští oba
multimetry(DMM) byl použit generátor funkcí Agilent 33220A. Všechny přístroje jsou
ovládány přes sběrnici HP-IB řídícím programem napsaným v systému Agilent Vee Pro.
Signál V-control je napěťová rampa řídící výstupní napětí VN zdroje. Signál Sync
řídí spouštění obou multimetrů.
4.2.1
Obvodová realizace
C34
100p
P19
P_RL1
1
1meg
2
1
CON4
1Meg 10uA
R61
Anoda
100k 100uA
1
2
3
4
2
1
10k 1mA
V4
C31
100n
CON4
0
-
1
2
AD8610
1
3
2
D7
1.5KE10A
+
U7
C32
0
0
0
10n
100n
DMM-proud
1
C30
100n
C35
V+
0
J8
6
OUT
0-10V
2
2
2
P20
P15
R59
V-
J7
KINGS - 1704-1
1
DMM-napeti
P16
2
1
R68
40Meg
P17
V+
IHD3EB104L
2500V RMS
10Meg 1uA
R62
7
2
100m
P18
100nA
2
1
RL1
KINGS - 1704-1
R63
1
2
3
4
L2
0-5kV
J5
100Meg
Katoda
2
1
2
1
P_L2
2
1
R67
0
0
R64
R65
499k
499k
0
V+
R60
100k
25ot
R66
200
C33
100n
V-
0
Obrázek 4.3. Obvodová realizace metody pro dynamické měření závěrných charakteristik.
Na Obr. 4.3 je obvodová realizace metody. Převodník I/U je tvořený J-FET nízkošumovým operačním zesilovačem se vstupním proudem max. 10pA. Trimr R60 slouží
pro ruční kompenzaci offsetu převodníku. Připojen jen ke kladnému vstupu OZ přes dělič a soustavu kondenzátoru pro potlačení zanášení šumu na výstup OZ. Kompenzační
kondenzátor C34 je kondenzátor s dielektrikem PPS (Polyphenylene Sulphide) , jehož
ztrátový odpor R ≥ 3000MΩ. Výstup převodníku je definován od 0-10V. Transil D7
slouží jako ochrana vstupu OZ při průrazu měřené součástky. Díky tomu, že se napětí
na transilu za podmínky, že OZ není v saturaci, blíží 0, pak transilem nepoteče žádný
proud, který by způsobil chybu měření.
BNC konektory J5 a J7 jsou vysokonapěťové BNC konektory. Vysokonapěťový rezistor R68 tvoří spolu se vstupním odporem multimetru (10MΩ) dělič, aby bylo možné
měřit napětí až do 5kV. Cívku L2 a rezistor RL1 lze odpojit zkratováním příslušných
jumperů. Rezistor RL1 je vhodné nechat stále připojený a jeho vliv se uplatní při měření
průrazu, protože v momentě kdy se měřená struktura proráží, klesá její odpor, a pak se
připojený zdroj začíná chovat jako zdroj proudu. Cívka L2 byla použita experimentálně
15
...............................
pro případné potlačení proudové špičky, která by překročila nastavený tzv. TRIP VN
zdroje, který vzniká při vysokém di/dt a způsobí vypnutí výstupu VN zdroje.
Zpětnovazební rezistory jsou přesné rezistory s nízkým teplotním koeficientem. Pro
rozsah 100nA je třeba uvažovat ztrátový odpor připojeného kompenzačního kondenzátoru a korigovat přepočítávací konstantu.
4.2.2
Programová obsluha metody
Obrázek 4.4. Vývojový diagram obslužného programu.
Jak bylo zmíněno v úvodu, metoda je řízená programem napsaným v systému Vee
Pro. Na Obr. 4.4 je vývojový diagram obslužného programu. Před zahájením měření je
změřen offset převodníku. Offset je kvůli potlačení šumu vypočten jako střední hodnota
z odebraných 100 vzorků. Dále jsou inicializovány měřící multimetry, zapnut výstup VN
16
........................................
4.2 Realizace metody
zdroje a podle parametrů měření nastaven generátor. Poté generátor začne generovat
řídící rampu a zároveň generuje Sync signál, který spustí měření. Oba multimetry mají
vždy nastaveno zpoždění před zahájením vzorkovaní, které je vždy takové, aby výstupní
napětí VN zdroje přeběhlo 40V. Je to proto, aby nebyl navzorkován start zdroje.
Po navzorkování dat, jsou data pomocí klouzavého průměru vyhlazena, protože
hlavně v počátcích charakteristiky jsou poměrně zašumělá. Dále dojde ke snížení času
měření 3x, a tím se změní SR(rychlost přeběhu) výstupního napětí a celé měření se
znovu opakuje.
Po odměření druhé charakteristiky jsou data naměřených charakteristik zpracovány
interně volaným MATLAB skriptem. Výstupem skriptu je pak korigovaná závěrná charakteristika a případně i závislost bariérové kapacity na napětí.
4.2.3
Nastavení měřících přístrojů
Měřící multimetry obsahují integrační A/D převodník. Z hlediska potlačení rušení je
důležité správně nastavit jeho integrační dobu. Pro potlačení rušení sítě je tedy třeba
nastavit vždy násobek periody sítě. Multimetry si samy tuto periodu měří. Jako integrační doba byla tedy nastavena 1NPLC (number of power line cycles). Doba vzorkování
pak tedy musí být rovna nebo větší než doba integrace. Protože měření probíhá poměrně
pomalu, není toto problém.
Oba multimetry jsou nastaveny na externí spouštění. Doba mezi odběry vzorku je
nastavena na 21ms a počet vzorků, které budou uloženy, je vypočítán ze zadané doby
měření vztahem:
N=
T − Tdel
· (1 − 0,01)
ts
(7)
Kde T je doba měření, Tdel zpoždění spuštění vzorkování multimetrů, ts je vzorkovací
perioda a korekční člen (1 − 0,01) zabrání na vzorkování vypnutí VN zdroje.
Čas zpoždění vypočítáme podle vztahu:
Vdel
(8)
SR
Kde Vdel označuje napětí, od kterého chceme vzorkovat a SR je rychlost přeběhu
napětí VN zdroje.
SR určíme podle vztahu:
Tdel =
Umax − Uof f
(9)
T
Kde Umax určuje max. napětí do kterého chceme měřit, Uof f určuje napěťový offset
VN zdroje (50V) a T je doba měření.
Generátor je nastaven do Burst režimu s generací lineární rampy a spouštěn je softwarově. Fáze signálu je nastavena na -179◦ . Amplituda rampy je definována vztahem:
SR =
Umax
500
a platí, že 10V na vstupu odpovídá 5kV na výstupu.
Offset rampy je definován vztahem:
Uamp =
(10)
Uamp
+ 0,1
(11)
2
Vůstup generátoru je nastaven na High-Z load, tzn. práce do vysoké impedance,
protože impedance vstupu VN zdroje pro řízení výstupního napětí je 1MΩ.
Uramp−of f =
17
4.2.4
...............................
MATLAB skript
%data 1. pruchod
data_slow=importdata([file,’.001’]);
%data 2. pruchod
data_fast=importdata([file,’.002’]);
%hleda minimum
min_data_slow=min(data_slow(:,1));
min_data_fast=min(data_fast(:,1));
%hleda maximum
max_data_slow=max(data_slow(:,1));
max_data_fast=max(data_fast(:,1));
%vytvari vektor napeti
v=(ceil(max(min_data_slow,min_data_fast)):0.5:floor(min(max_data_slow,
max_data_fast)))’;
%interpolace y-data_slow, podle v
data_slow_yi=interp1(data_slow(:,1),data_slow(:,2),v);
%interpolace y-data_fast, podle v
data_fast_yi=interp1(data_fast(:,1),data_fast(:,2),v);
%vypocet rychlosti prebehu
SR_slow=(V-50)/T;
SR_fast=(V-50)/(T/3);
%rozdil namerenych proudu
diff_data=data_slow_yi-data_fast_yi;
%test platnosti dat
index=length(diff_data);
for i=1:length(diff_data)
if diff_data(i)>0
index=i;
break;
end
end
%nuluje zbytek
diff_data(index:length(diff_data))=0;
%vyhlazeni rozdilu proudu
diff_data=smooth(diff_data,0.2,’sgolay’);
%vypocet kapacity
Cb=diff_data/(SR_slow-SR_fast);
%derivace vypoctene kapacity
dCb=smooth(diff(Cb),0.3);
18
........................................
4.3 Kalibrace metody
%test platnosti dat
index=length(dCb);
for i=1:length(dCb)
if dCb(i)>0
index=i;
break;
end
end
%nuluje zbytek
Cb(index:length(Cb))=0;
%vypocet posuvneho proudu
ic_slow=Cb*SR_slow;
ic_fast=Cb*SR_fast;
%vystupni matice dat
data_slow_corrected(:,1)=v;
data_slow_corrected(:,2)=smooth(data_slow_yi-ic_slow,0.2,’sgolay’);
%zapis do souboru
dlmwrite(file,data_slow_corrected,’-append’,’newline’,’pc’,
’precision’,14);
Výpis kódu nepotřebuje podrobný komentář, jednotlivé kroky jsou stručně popsány
v komentářích. Po načtení změřených dat je vytvořen vektor napětí a podle tohoto
vektoru jsou změřená data interpolována. Interpolaci je nutno provést z toho důvodu,
aby bylo možné naměřená data od sebe odečíst. Při obou měřeních, totiž nelze zaručit,
a to hlavně z důvodu rozdílné rychlosti měření, že proud bude v obou měřeních odměřen
vždy pro stejné hodnoty napětí.
Ze zadaných parametrů měření jsou vypočteny SR parametry. Dále je vypočten rozdíl
naměřených proudů (odečítá se rychlejší měření od pomalejšího, takže v počátku by
měl být rozdíl záporný). Tento rozdíl je třeba pomocí cyklu projít a při prvním výskytu
kladného rozdílu další data označit jako neplatná, resp. je vynulovat. Tento test je nutný
z toho důvodu, že jak bariérová kapacita klesá, klesá i rozdíl proudu v obou měřeních
a od určitého napětí by naměřené proudy měly být v podstatě shodné. Ve skutečnosti
zde ale bude existovat vždy nějaký, byť minimální rozdíl a tento rozdíl pak způsobí něco
jako „oscilace“ ve vypočteném rozdílu.
Dále je vypočtený rozdíl vyhlazen a vypočtena závislost bariérové kapacity na napětí.
Tato závislost je zderivována a další cyklus, podobně jako u vypočteného rozdílu projde
vypočtená data a hledá kladnou hodnotu derivace. Pokud ji nalezne, další data označí
za neplatná a vynuluje je. Tento test odstraní část závislosti bariérové kapacity na
napětí, která je v rozporu s fyzikální podstatou. Tato nesrovnalost bude pravděpodobně
způsobena vyhlazením dat vypočteného rozdílu. Z korigované závislosti kapacity jsou
vypočteny posuvné proudy a změřená data o tyto proudy korigována.
4.3
Kalibrace metody
Pro ověření zda metoda, resp. převodník I/U měří správně, bylo provedeno měření testovacího vzorku pomocí analyzátoru Agilent 4156C a porovnáno s měřením pomocí
19
...............................
navržené metody. Jako testovací vzorek byl použit 20MΩ a 100MΩ rezistor s nízkým
teplotním koeficientem, aby se zabránilo zkreslení měření vlivem rozdílné teploty, protože při měření pomocí analyzátoru není k dispozici žádná teplotní stabilizace vzorku.
Přesnost výstupního napětí bude závislá na odchylce zadané hodnoty zpětnovazebních
rezistorů od skutečné hodnoty a na velikosti výstupního offsetu převodníku. Protože
byly vybrány rezistory s přesností 0,1% pro rozsahy 1mA, 100uA, 10uA a pro zbylé
rozsahy s přesností 1% s nízkým teplotními koeficienty, lze očekávat, že metoda bude
poskytovat srovnatelné výsledky jako analyzátor Agilent 4156C, viz. Obr. 4.5.
5 ,5 µ
5 ,0 µ
R
4 ,5 µ
= 2 0 M Ω
z
R o z s a h 1 0 u A
4 ,0 µ
3 ,5 µ
Ir [A ]
3 ,0 µ
2 ,5 µ
2 ,0 µ
R
1 ,5 µ
1 ,0 µ
= 1 0 0 M Ω
z
R o z s a h 1 u A
5 0 0 ,0 n
0
2 0
4 0
6 0
U
8 0
1 0 0
[V ]
r
Obrázek 4.5. Porovnání výsledků měření pomocí analyzátoru Agilent 4156C (přerušovaně)
a navržené metody pro rozsah 10uA a 1uA (červeně).
4.4
Srovnání
1 µ
R o z s a h 1 u A
T e p lo ta = 3 0 ° C
1 0 0 n
b e z k o re k c e , 2 0 0 0 V /1 2 0 s (1 6 V /s )
Ir [A ]
1 0 n
1 n
s k o re k c i
1 0 0 p
s ta tic k e m e r e n i
1 0 p
1 p
0
5 0 0
1 0 0 0
U
r
1 5 0 0
2 0 0 0
[V ]
Obrázek 4.6. Porovnání staticky a dynamicky naměřené závěrné charakteristiky diody
C3D10170H při 30 ◦ C před a po korekci.
20
............................................
4.4 Srovnání
Na Obr. 4.6 je porovnání staticky a dynamicky naměřené závěrné charakteristiky
diody C3D10170H při 30 ◦ C před a po korekci. Charakteristiky byly měřeny při rozsahu
1uA. Po korekci je vidět poměrně dobrá shoda obou charakteristik. Na charakteristice
bez korekce je dobře patrný vliv posuvného proudu a jeho klesající podíl v změřeném
proudu při nárůstu napětí.
Od napětí cca 1125V jsou obě charakteristiky při dané rychlosti měření bez korekce
shodné. Toho lze využít při měření průrazů, který obvykle nastává v oblasti, kde je
již vliv posuvného proudu zanedbatelný a změřenou charakteristiku pak není třeba
korigovat.
1 3 5 ,0 0 p
T e p lo ta = 3 0 ° C
1 2 0 ,0 0 p
9 0 ,0 0 p
C
[F ]
1 0 5 ,0 0 p
7 5 ,0 0 p
6 0 ,0 0 p
4 5 ,0 0 p
0
2 0 0
4 0 0
6 0 0
U
r
8 0 0
1 0 0 0
[V ]
Obrázek 4.7. Vypočtená závislost bariérové kapacity při korekci pro diodu C3D10170H
při 30 ◦ C.
Na Obr. 4.7 je vypočtená závislost bariérové kapacity na napětí pro
q diodu
◦
C3D10170H při 30 C. Pro závislost bariérové kapacity na napětí platí C ≈ U1r
1 µ
T e p lo ta = 3 0 ° C
Ir [A ]
1 0 0 n
1 0 n
1 0 0 V /s
5 0 V /s
3 3 V /s
1 6 V /s
1 n
0
5 0 0
1 0 0 0
1 5 0 0
U
r
2 0 0 0
[V ]
Obrázek 4.8. Porovnání změřených charakteristik diody C3D10170H při 30 ◦ C pro různé
rychlosti měření.
21
...............................
Na Obr. 4.8 jsou pro ilustraci uvedeny změřené charakteristiky bez korekce pro různé
rychlosti měření.
4.5
Výhody a nevýhody navržené metody
Výhody:
..
..
Vysoká rychlost měření a současně velký počet změřených bodů
Díky rychlosti měření potlačení tepelného zatěžování vlastním měřením
Současné měření I-V a C-V charakteristiky pro velká závěrná napětí
Možnost měřit dynamicky i staticky
Nevýhody:
.
.
.
Při dynamickém měření nelze přepínat rozsahy → - velká nejistota měření pro počátek
rozsahu
Kvalita korekce závisí na přesnosti měření a pro velmi malé proudy nemusí být korekce
v počátku charakteristiky úspěšná
Při měření různých součástek a struktur je třeba vždy brát na zřetel, že se jedná o
dynamické měření a že korekce umí korigovat pouze paralelně připojené kapacity ať
už parazitní nebo dané typem struktury
22
Kapitola 5
Vliv neutronů na ozařovanou strukturu
5.1
Propustná charakteristika
n- epi.
Oblast driftu
UFB
n+
kov
A
kov
Na Obr. 5.1 je náhradní obvod MPS Schottky diody.
Rsub
Rc
Substrát
Rs
K
Obrázek 5.1. Náhradní obvod MPS diody. Zdroj [19]
UF B označuje úbytek napětí na Schottkyho bariéře, Rs je odpor epitaxní vrstvy, Rsub
je odpor substrátu a Rc je odpor obou kontaktů.
Teče-li diodou proud IF , pak celkový úbytek napětí na diodě můžeme vyjádřit vztahem (1).
UF = UF B + IF (Rs + Rsub + Rc )
(1)
Úbytek napětí na Schottkyho bariéře můžeme vyjádřit pomocí vztahu (2).
UF B =
S
ln ( IFI+I
)n · k · T
S
q
(2)
kde Is značí saturační proud, n je emisní koeficient (faktor ideality), k Boltzmanova
konstanta, q náboj elektronu a T absolutní teplota.
Odpor málo dotované epitaxní vrstvy a substrátu pro unipolární součástku můžeme
vyjádřit pomocí vztahu (3).
Rs =
wB
q · µn · N · A
(3)
Kde µn je pohyblivost elektronů, N je koncentrace volných elektronů, wB je tloušťka
vrstvy a A je plocha anody.
V případě studované diody C2D05120A, která je vyrobena na 100mm waferu s tloušťkou 350µm a měrným odporem (0,015 − 0,028)Ω · cm a při uvažované ploše anody
2,82mm2 pak vychází odpor substrátu max. cca 348µΩ. Odpor substrátu a kontaktů
lze tedy zanedbat a celkový úbytek napětí na diodě můžeme vyjádřit vztahem (4).
23
5. Vliv neutronů na ozařovanou strukturu
UF =
..
................................
S
ln ( IFI+I
)n · k · T
S
q
+ IF · Rs
(4)
Z kapitoly 1.3 plyne, že vystavení struktury neutronovému ozáření, může způsobit:
Nárůst odporu epitaxní vrstvy vlivem deaktivace nebo kompenzace příměsí.
Vznik rekombinačních center, které způsobí nárůst rekombinačního proudu.
5.1.1
Výsledky
1 0 0 m
T e p lo ta 2 5 ° C
1 m
1 0 µ
IF [A ]
1 0 0 n
1 n
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
1 ,9 1
1 0 p
1 0 0 f
o z a re
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
E + 1 4
n i
(A
(B
(C
(D
)
)
)
)
1 f
0 ,0
0 ,2
0 ,4
0 ,6
U
F
0 ,8
1 ,0
1 ,2
[V ]
Obrázek 5.2. Propustné charakteristiky diod v oblasti nízké injekce v závislosti na obdržené dávce.
Na Obr. 5.2 je porovnání propustných charakteristik v oblasti nízké injekce. Z naměřených propustných charakteristik je patrné, že nárůst rekombinačního proudu pro
různé dávky ozáření je naprosto minimální až nulový. Pro dávku D je vidět, že dioda je vysokou dávkou neutronů zničená. Stále vykazuje určité prahové napětí, ale má
obrovský sériový odpor.
Na Obr. 5.3 je porovnání propustných charakteristik v oblasti vysoké injekce (měřeno
impulsně). V této části charakteristiky je dobře vidět nárůst sériového odporu vlivem
deaktivace příměsí v epitaxní vrstvě.
Diody/skupina
n[−]
Is [A]
Ref1, Ref2, Ref3 /D1, D5, A-A, A-B /A
D2, B-A, B-B, B-C /B
D4, C-A, C-B /C
D6, D-A, D-B, D-C /D
1,02
1,027 ± 0,005
1,027 ± 0,002
1, 044 ± 0,007
1, 082 ± 0,007
5,751E-16
6,496E-16
6,155E-16
5,956E-16
(4,88 ± 1,52)E-16
Tabulka 5.1. Odečtené parametry modelu pro propustný úbytek v oblasti nízké injekce.
24
.....................................
5.1 Propustná charakteristika
2 0
T e p lo ta 2 5 ° C
1 6
IF [A ]
1 2
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
8
4
o z a re
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
n i
(A )
(B )
(C )
0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
2 ,5
U
F
3 ,0
3 ,5
4 ,0
4 ,5
[V ]
Obrázek 5.3. Propustné charakteristiky diod v oblasti vysoké injekce v závislosti na obdržené dávce.
V Tab. 5.1 jsou stanovené parametry pro aproximaci propustné charakteristiky pomocí vztahu (4) v oblasti nízké injekce. U některých hodnot není uvedená směrodatná
odchylka, protože byla o několik řádů menší než samotná průměrná hodnota. V porovnání s výkonovými Schottky diodami na bázi Si [20] jsou saturační proudy až o
9 řádů nižší. V závislosti na obdržené dávce se saturační proud téměř nemění. Jediný
výraznější pokles je pro dávku D, ale vzhledem k velké nejistotě odečtené hodnoty saturačního proudu a také faktu, že je dioda přezářená, není tento výsledek příliš relevantní.
U emisního koeficientu je vidět nepatrný nárůst. Protože se emisní koeficient nachází v
exponentu, může mít i tento malý nárůst již nepatrný vliv na propustné charakteristiky.
1 ,0 9
1 ,0 8
y = 1 ,0 2 0 4 + (3 ,1 6 1 7 E -1 6 )x
1 ,0 7
n [-]
1 ,0 6
1 ,0 5
1 ,0 4
1 ,0 3
1 ,0 2
0 ,0 0 E + 0 0 0
5 ,0 0 E + 0 1 3
1 ,0 0 E + 0 1 4
φ[1 /c m
2
1 ,5 0 E + 0 1 4
2 ,0 0 E + 0 1 4
]
Obrázek 5.4. Nárůst emisního koeficientu v závislosti na obdržené dávce.
25
................................
Na Obr. 5.4 je nárůst emisního koeficientu v závislosti na obdržené dávce. Vynesenou
závislost můžeme popsat rovnicí (5).
n(φ) = n0 + Kn · φ
(5)
kde n0 je počáteční emisní koeficient, φ je obdržená dávka a Kn je koeficient nárůstu
emisního koeficientu. V Tab. 5.2 jsou uvedeny parametry počátečního emisního koeficientu a koeficientu jeho nárůstu pro diody C2D05120A:
n [-]
Kn [cm2 ]
1,0204
3,1617E-16
Tabulka 5.2. Počáteční emisní koeficient a koeficient nárůstu emisního koeficientu pro
diody C2D05120A.
V Tab. 5.3 jsou relativní poklesy vodivosti v závislosti na obdržené dávce. Poklesy
byly stanoveny z rozdílů vodivostí zcharakterizovaných diod. 1/Rs0 značí vodivost před
ozářením a 1/Rs po ozáření.
Dioda/skupina
1/Rs0 [S]
1/Rs [S]
Rs0 /Rs [-]
D1/A
D2/B
D4/C
D6/D
9,185
9,141
8,457
8,514
8,740
5,741
0,895
2,53E-6
0,952
0,628
0,106
0,297E-6
Tabulka 5.3. Relativní pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.
V Tab. 5.4 jsou uvedeny absolutní změny vodivosti vůči referenční vodivosti v závislosti na obdržené dávce.
Dávka [1/cm2 ]
1/Rs [S]
0
6,46E+12
3,20E+13
8,04E+13
1,91E+14
8,842 ± 0,341
8,418
5,553
0,937
2,6E-6
Tabulka 5.4. Pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.
Referenční vodivost byla určena z referenčních diod a ze změřených charakteristik
diod před ozářením. Na Obr. 5.5 je pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.
Závislost by měla být vzhledem k vztahu (3) lineární, protože vodivost je přímo úměrná
dotaci epitaxní vrstvy. Vynesenou závislost můžeme popsat rovnicí (6).
1/Rs (φ) = 1/Rs0 − Ks · φ
(6)
kde 1/Rs0 je počáteční vodivost, φ je obdržená dávka a Ks je koeficient degradace
vodivosti.
26
.....................................
5.1 Propustná charakteristika
1 0
8
y = 8 ,8 9 8 -(9 ,9 6 3 E -1 4 )x
1 /R s [S ]
6
4
2
0
0 ,0 0 E + 0 0 0
2 ,0 0 E + 0 1 3
4 ,0 0 E + 0 1 3
φ[1 /c m
6 ,0 0 E + 0 1 3
2
8 ,0 0 E + 0 1 3
]
Obrázek 5.5. Pokles vodivosti v závislosti na obdržené dávce.
V Tab. 5.5 jsou uvedeny parametry počáteční vodivosti a koeficient degradace vodivosti pro diody C2D05120A:
1/Rs0 [S]
Ks [cm2 /Ω]
8,898
9,963E-14
Tabulka 5.5. Počáteční vodivost a koeficient degradace vodivosti pro diody C2D05120A.
1 5
5 ,0 x 1 0
1 5
4 ,5 x 1 0
1 5
4 ,0 x 1 0
1 5
3 ,5 x 1 0
1 5
3 ,0 x 1 0
1 5
2 ,5 x 1 0
1 5
2 ,0 x 1 0
1 5
1 ,5 x 1 0
1 5
T e p lo ta = 2 5 ° C
N
[1 /c m
3
]
5 ,5 x 1 0
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
0 ,0
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
2 ,5
W
3 ,0
3 ,5
o z a re
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
4 ,0
n i
(A )
(B )
(C )
4 ,5
[u m ]
Obrázek 5.6. Koncentrační profily v závislosti na obdržené dávce.
Na Obr. 5.6 je porovnání koncentračních profilů ozářených diod C2D05120A, měřených při teplotě 25◦ C v závislosti na obdržené dávce. Koncentraci volných elektronů lze
stanovit z C-V charakteristiky (závislost bariérové kapacity na napětí) určením koncentračního profilu podle vztahu (7).
N (W ) = −
C3
qεr ε0 A2 dC/dV
27
(7)
................................
kde W označuje hloubku koncentrace, εr je dielektrická konstanta, ε0 je permitivita
vakua, A je plocha anody a q je náboj elektronu.
Hloubku určíme podle vztahu (8).
εr ε0 A
(8)
C
Naměřené koncentrační profily ukazují pokles koncentrace v závislosti na obdržené
dávce, což dobře koresponduje s propustnými charakteristikami v oblasti vysoké injekce,
protože vodivost epitaxní vrstvy je přímo úměrná velikosti dotace. Z naměřených koncentračních profilů lze stanovit pokles koncentrace volných elektronů v epitaxní vrstvě
v závislosti na obdržené dávce.
W =
Diody/skupina
N [1/cm3 ]
D4, C-A, C-B /C
(5,325 ± 0,077)E+15
(5,250 ± 0,047)E+15
(4,541 ± 0,024)E+15
(2,959 ± 0,009)E+15
Tabulka 5.6. Odečtené parametry modelu pro propustný úbytek v oblasti nízké injekce.
Koncentrace byla stanovena pro hloubku 3,5µm. Na Obr. 5.7 je vynesená závislost.
5 ,5 E 1 5
5 ,0 E 1 5
4 ,5 E 1 5
4 ,0 E 1 5
N
[1 /c m
3
]
y = (5 ,4 1 0 4 E + 1 5 )-3 0 ,0 0 7 3 x
3 ,5 E 1 5
3 ,0 E 1 5
0 ,0
2 ,0 E 1 3
4 ,0 E 1 3
φ[1 /c m
6 ,0 E 1 3
2
8 ,0 E 1 3
]
Obrázek 5.7. Pokles koncentrace volných elektronů v závislosti na obdržené dávce.
Vynesenou závislost můžeme popsat rovnicí (9).
N (φ) = N0 − KN · φ
(9)
kde N0 je počáteční koncentrace, φ je obdržená dávka a KN je koeficient degradace
koncentrace.
28
......................................
5.2 Závěrná charakteristika
V Tab. 5.7 jsou uvedeny parametry počáteční koncentrace a koeficient degradace
koncentrace pro diody C2D05120A:
N0 [1/cm3 ]
KN [cm−1 ]
5,4104E+15
30,239
Tabulka 5.7. Počáteční koncentrace a koeficient degradace koncentrace pro diody
C2D05120A.
1 ,0 0
k o n c e n tra c e
N o rm
[-]
0 ,7 5
0 ,5 0
v o d iv o s t
0 ,2 5
0 ,0 0
0 ,0 0 E + 0 0 0
2 ,0 0 E + 0 1 3
4 ,0 0 E + 0 1 3
φ[1 /c m
2
6 ,0 0 E + 0 1 3
8 ,0 0 E + 0 1 3
]
Obrázek 5.8. Porovnání rychlosti degradace vodivosti vs. koncentrace.
Při znormování závislosti poklesu koncentrace a vodivosti, můžeme tyto dvě závislosti
porovnat. Na Obr. 5.8 je porovnání těchto závislostí. Sklon obou křivek není stejný což
znamená, že pokud předpokládáme, že odpor epitaxní vrstvy je definován vztahem (3),
pak by mohlo docházet vlivem neutronového záření i k poklesu pohyblivosti elektronů.
V článku [21], který se zabývá studiem vlivu neutronového záření na elektrické vlastnosti SiC J-FET tranzistoru, byl popsán pokles pohyblivosti nosičů vlivem rozptylu
volných nosičů na ionizovaných příměsích. Pokles pohyblivosti byl stanoven pro dávky
v řádu 1015 [1/cm2 ] což je mnohem více než v případě navrženého experimentu v rámci
této práce, ale při porovnání vlivu neutronového záření na studovaný J-FET tranzistor, je významnější pokles elektrických parametrů až pro dávky 5 · 1014 [1/cm2 ], což je
mnohem více než v případě studované MPS diody. Proto je možné, že by tento efekt
mohl v případě studované MPS diody nastat už při nižších dávkách.
5.2
Závěrná charakteristika
Na základě popisu vlivu radiace na polovodiče v kap. 1.3, lze předpokládat následující
vliv neutronového záření na studované diody:
..
Nárůst generačního proudu vlivem vytvoření generačních center
Nárůst průrazného napětí vlivem poklesu dotace epitaxní vrstvy
29
................................
5.2.1
Výsledky
Na Obr. 5.9 je porovnání závěrných charakteristik v oblasti malých závěrných napětí
a na Obr. 5.10 je porovnání průrazných napětí v závislosti na obdržené dávce. Z naměřených charakteristik lze říci, že diody v porovnání s výkonovými Schottky diodami
na bázi Si [20] nevykazují téměř žádný nárůst generačního proudu. Tento jev by se
dal vysvětlit velkou šířkou zakázaného pásu, která je pro SiC v porovnání s Si cca 3x
větší. Jediný efekt, který lze pozorovat v oblasti nízkých závěrných napětí, je navyšování
rychlosti nárůstu závěrného proudu na nominální hodnotu.
T e p lo ta = 2 5 ° C
1 0 p
Ir [A ]
1 p
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
1 ,9 1
1 0 0 f
1 0 f
0
5
1 0
U
1 5
o z
E +
E +
E +
E +
2 0
a re
1 2
1 3
1 3
1 4
n i
(A
(B
(C
(D
)
)
)
)
2 5
r
[A ]
Obrázek 5.9. Porovnání závěrných charakteristik v oblasti malých závěrných napětí v
závislosti na obdržené dávce.
1 0 0 µ
T e p lo ta = 2 5 ° C
Ir [A ]
1 0 µ
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
1 ,9 1
1 µ
o z a re
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
E + 1 4
n i
(A
(B
(C
(D
)
)
)
)
1 0 0 n
1 5 0 0
1 8 0 0
U
r
2 1 0 0
2 4 0 0
[V ]
Obrázek 5.10. Porovnání průrazných napětí v závislosti na obdržené dávce.
Průrazné napětí s narůstající dávkou nejdříve klesá, což je v rozporu s prvotním
předpokladem a od dávky C narůstá. Tento fakt by mohl být způsoben buď velkým
30
......................................
5.2 Závěrná charakteristika
rozptylem průrazných napětí u jednotlivých vzorků nebo tím, že v počátcích ozařování,
kdy celková dávka je malá a tedy pokles dotace epitaxní vrstvy je malý, převažuje jiný
mechanismus, který mění hodnotu průrazného napětí. S jistou lze ale říci, že se zvyšující
se dávkou samotný průraz diody tzv. „měkne“ to znamená, že při průrazu není nárůst
závěrného proudu tak prudký. V Tab. 5.8 jsou odečtené hodnoty průrazných napětí.
Diody/skupina
Ubr [V]
D4, C-A, C-B /C
D6, D-A, D-B, D-C /D
2029,3 ± 18
1958 ± 11
1939,3 ± 26
2001 ± 18
2229,6 ± 18
Tabulka 5.8. Průrazná napětí diod v závislosti na obdržené dávce při závěrném proudu
80uA.
31
Kapitola 6
SPICE model MPS diody
Při dnešním vývoji elektroniky je snad až pravidlem, že se jednotlivé funkční bloky
nejdříve simulují. Díky tomu, že lze simulacemi ověřit různé možnosti bez fyzického návrhu a měření, přináší simulace velkou finanční a časovou úsporu. Na výsledky simulací
je však třeba pohlížet s nedůvěrou, protože výsledek simulace bude vždy tak přesný, jak
přesně bude daný model popisovat reálnou situaci. Při vytváření modelů elektronických
součástek existují dva přístupy, jak daný model vytvořit. První přístup je modelování
fyzikálních jevů v dané součástce. Tento přístup sice vyžaduje znalost analytického popisu daných jevů, ale většinou poskytuje přesnější výsledky, avšak za cenu rychlosti
výpočtu, a také je třeba znát fyzikální parametry dané součástky (plochy kontaktů,
tloušťky jednotlivých vrstev, dotace apod.). Druhým přístupem je vytvoření matematického popisu, který dobře aproximuje změřené charakteristiky. Tímto způsobem, lze
veškeré parametry modelu získat z naměřených charakteristik.
6.1
Popis modelu
V rámci této práce, je použit unifikovaný model diody, někdy též nazýván jako „Mantooth unified diode model“, podle H. Alan Mantooth [22–24], který daný model vytvořil.
Jedná se o univerzální model, kterým lze modelovat jak signálové, tak i výkonové diody.
Modelem lze modelovat propustné a závěrné charakteristiky, dynamické jevy a závislost na teplotě. Pro modelování činnosti SiC MPS diody byla z modelu využita část
propustné a závěrné charakteristiky a závislosti na teplotě.
6.1.1
Obrázek 6.1. Příklad propustné charakteristiky modelu diody. Převzato z [22]
32
..........................................
6.1 Popis modelu
Na Obr. 6.1 je příklad propustné charakteristiky obecné diody. Charakteristiku můžeme pomyslně rozdělit na několik částí a každou modelovat zvlášť. Oblast rekombinačního proudu je modelováná standardní Shockleyho rovnicí vztahem (1).
irec = ISR · (eUj /N R·UT − 1)
(1)
kde ISR je saturační proud, N R je emisní koeficient (faktor ideality), UT teplotní napětí
a Uj napětí na přechodu. Nastavením parametru ISR = 0 můžeme vliv rekombinačního proudu vyloučit. Oblasti nízké injekce, vysoké injekce, emitorové rekombinace a
sériového odporu jsou typické pro výkonové diody.
Pokud je specifikován parametr ISH, což je saturační proud v oblasti vysoké injekce,
pak je oblast nízké a vysoké injekce popsána společným vztahem (2), pokud parametr
ISH definován není, pak je oblast nízké injekce popsána vztahem (1), ale s parametry
ISL, N L.
iO =
h
2 · iL
ISL Nef f
1 + 1 + 2 ISH
eVj /VT
i1/Nef f
(2)
kde iL je injekční proud v oblasti nízké injekce, ISL a ISH jsou saturační proudy
pro oblast nízké a vysoké injekce. Parametr Nef f je definován vztahem (3).
Nef f =
1
NL
1
−
1
NH
(3)
kde N L a N H jsou emisní koeficienty pro oblast nízké a vysoké injekce.
Oblast emitorové rekombinace, která je typická pro PiN diodu je popsána podobně
jako oblast rekombinačního proudu vztahem (4).
ie = ISE · (eUj /N E·UT − 1)
(4)
kde ISE je saturační proud a N E je emisní koeficient pro oblast emitorové rekombinace.
Nastavením parametru ISE = 0 můžeme vliv emitorové rekombinace vyloučit.
Při modelování signálových diod je někdy žádoucí dosáhnout stejného efektu v oblasti
vysoké injekce, který u výkonových diod způsobuje emitorová rekombinace. Tohoto jevu
můžeme dosáhnout vztahem (5).
iD = q
iDF
1+
(5)
iDF
IKF
kde iD je celkový proud diodou, iDF je součet jednotlivých složek proudu modelu a parametr IKF modeluje efekt emitorové rekombinace. Pokud je parametr IKF definován,
pak model nebere v úvahu parametry ISH a N H.
6.1.2
Použitý model umožňuje při modelování závěrné charakteristiky použít celkem až 5
možných jevů, které ovlivňují tvar závěrné charakteristiky. Prvním jevem je změna
paralelně připojené vodivosti, která se mění s teplotou (parametr GREV, TGREV)
a pomáhá řešit problém s konvergencí řešení kolem 0V při přechodu z propustné do
závěrné oblasti a opačně.
Druhým jevem je exponenciální nárůst závěrného proudu, který se vyskytuje u Zenerových diod. Tento nárůst je modelován rovnicí (6).
33
6. SPICE model MPS diody
......................................
iz = ISZ · (e−Uj /N Z·UT − 1)
(6)
Třetím jevem je lavinový průraz. Proud při lavinovém průrazu je popsán vztahem
(7).
iBD = IBV · (e−(Uj +BV )/N BV ·UT − e−BV /N BV ·UT )
(7)
kde IBV je počáteční proud při průrazu, BV je průrazné napětí a N BV je emisní
koeficient v oblasti průrazu.
Čtvrtým jevem, který umí model zahrnout při modelování závěrné charakteristiky a
tím nabídnout další možnost, jak se přiblížit k reálné charakteristice, je definice parametru IKR, což je obdoba parametru IKF, ale pro závěrnou oblast.
Pátým jevem je možnost definice sériového odporu zvlášť pro závěrnou a propustnou
oblast.
6.1.3
Teplotní závislost
Teplotní závislost saturačního proudu je definována vztahem (8).
IS(T ) = IS(T N OM ) ·
T
T N OM
XT I/N
· e[(T /T N OM )−1]·((EG/N )·UT )
(8)
kde XT I je parametr teplotní závislosti saturačního proudu, EG je teplotně závislá
šířka zakázaného pásu a N je teplotně závislý emisní koeficient.
Teplotní závislost emisního koeficientu je definována vztahem (9).
N (T ) = N (T N OM ) · [1 + T N 1(T − T N OM ) + T N 2(T − T N OM )2 ]
(9)
kde T N 1 a T N 2 je lineární a kvadratický teplotní koeficient.
Teplotní závislost sériového odporu je definována vztahem (10).
RS(T ) = RS(T N OM ) · [1 + T RS1(T − T N OM ) + T RS2(T − T N OM )2 ]
(10)
kde T RS1 je lineární teplotní koeficient a T RS2 je kvadratický teplotní koeficient.
Teplotní závislost šířky zakázaného pásu pro SiC je definována vztahem (11).
EG(T ) = EG(300K) − 3,3 · 10−3 · (T − 300K)
6.1.4
(11)
Úprava modelu
Do modelu byly přidány podle [25] teplotní závislosti průrazného napětí vztah (12) a
proudu při průrazu vztah (13).
BV (T ) = BV (T N OM ) · [1 + T BV 1(T − T N OM ) + T BV 2(T − T N OM )2 ]
(12)
2
IBV (T ) = IBV (T N OM ) · [1 + T IBV 1(T − T N OM ) + T IBV 2(T − T N OM ) (13)
]
kde T BV 1 a T BV 2 resp. T IBV 1 a T IBV 2 je lineární a kvadratický koeficient teplotní
závislosti průrazného napětí, resp. proudu při průrazu.
Pro modelování závěrné charakteristiky byl do modelu podle [26] přidán efekt snižování Schottkyho bariéry pomocí koeficientu KLOW (14).
KLOW = e
34
√
klow · 4 |U |p
Tj
(14)
..................................
6.2 Implementace a kalibrace modelu
Teplotní závislost saturačního proudu pro závěrnou charakteristiku nešla dobře aproximovat vztahem (8), a proto byla navržena jiná aproximace pomocí vztahu (15).
ISZ(T ) = ISZ(T N OM ) · [1 + T ISZ1(T − T N OM ) + T ISZ2(T − T N OM )2 ] (15)
6.1.5
Vliv neutronového záření
Z analýzy v kapitole 5, byly určeny následující závislosti pro implementaci do SPICE
modelu. Vztah (16) představuje závislost emisního koeficientu na obdržené dávce a
vztah (17) představuje závislost sériové vodivosti diody na obdržené dávce.
n(φ) = n0 + Kn · φ
(16)
1/Rs (φ) = 1/Rs0 − Ks · φ
(17)
Jiné významné parametry SPICE modelu, které by neutronové záření ovlivňovalo,
nebyly identifikovány.
6.2
Implementace a kalibrace modelu
Použitý model z [22–24] byl implementován v simulačním softwaru Cadence PSPICE.
1/Grev
A
MID
Rs
K
GDIODE
Obrázek 6.2. SPICE model MPS diody.
Na Obr. 6.2 je obvodové schéma zapojení SPICE modelu diody. Zdroj GDIODE je
napětím řízený zdroj proudu. Rs je sériový odpor diody a Grev je paralelní vodivost,
která pomáhá ke konvergenci řešení v oblasti nulového napětí a zajišťuje hladký přechod
z propustné polarizace do závěrné a opačně.
Proud zdroje GDIODE je definován jako součet proudu pro propustnou a závěrnou
polarizaci. Každý z těchto proudů je definován pomocí vztahů uvedených výše. Při
implementaci jednotlivých vztahů je třeba zvolit správně znaménko podle toho, zda
popisujeme proud pro propustnou nebo závěrnou polarizaci. V Tab. 6.1 jsou uvedeny a
popsány všechny parametry SPICE modelu diody, které je třeba před použitím modelu
definovat.
35
......................................
Parametr
Popis
ISR [A]
NR [-]
Res [Ω]
Klow [K/V−p/4 ]
p [-]
ISZ [A]
NZ
BV [V]
IBV [A]
NBV [-]
GREV [S]
T [◦ C]
Tnom [◦ C]
XTIR [-]
TRS1 [◦ C−1 ]
TRS2 [◦ C−2 ]
TN1 [◦ C−1 ]
TN2 [◦ C−2 ]
TNZ1 [◦ C−1 ]
TNZ2 [◦ C−2 ]
TISZ1 [◦ C−1 ]
TISZ2 [◦ C−2 ]
TBV1 [◦ C−1 ]
TBV2 [◦ C−2 ]
TIBV1 [◦ C−1 ]
TIBV2 [◦ C−2 ]
F [1/cm2 ]
Ks [cm2 /Ω]
Kn [cm2 ]
Saturační proud pro oblast rekombinace
Emisní koeficient pro oblast rekombinace
Sériový odpor
Koeficient snižování Schottkyho bariéry
Koeficient snižování Schottkyho bariéry
Saturační proud pro oblast závěrné polarizace
Emisní koeficient pro oblast závěrné polarizace
Průrazné napětí
Proud při průrazném napětí
Emisní koeficient v oblasti průrazného napětí
Paralelní vodivost
Teplotní závislost
Teplota při simulaci
Teplota, pro kterou byly určeny parametry modelu
Teplotní závislost ISR
Lineární teplotní koeficient Res
Kvadratický teplotní koeficient Res
Lineární teplotní koeficient NR
Kvadratický teplotní koeficient NR
Lineární teplotní koeficient NZ
Kvadratický teplotní koeficient NZ
Lineární teplotní koeficient ISZ
Kvadratický teplotní koeficient ISZ
Lineární teplotní koeficient BV
Kvadratický teplotní koeficient BV
Lineární teplotní koeficient IBV
Kvadratický teplotní koeficient IBV
Neutronové záření
Fluence neutronového záření
Koeficient poklesu sériové vodivosti 1/Res
Koeficient nárůstu emisního koeficientu
Tabulka 6.1. Popis a hodnoty parametrů SPICE modelu diody.
Výpis implementace PSPICE modelu MPS diody C2D05120A
.SUBCKT SiCSchottkyENH A K
.PARAM:
36
Hodnota
6.813E-16
1.019
0.108
441
1
1.26E-13
9732
2110.7
2.05E-5
0.2
2.5E-12
undef
27
5.276
0.00493
7.8156E-5
-1.071E-4
-1.107E-5
-0.00477
1.05E-5
0.0357
-5.716E-6
3.22E-4
1.17E-6
0.00775
3.42E-5
undef
9.963E-14
3.1617E-16
..................................
6.2 Implementace a kalibrace modelu
****Temp**********
+ T=27,
+ TNOM=27,
+ XTIR=5.276,
+ EG=1.26,
+ TRS1=0.00493,
+ TRS2=7.8156E-5,
+ TN1=-1.071E-4,
+ TN2=-1.107E-5,
+ TNZ1=-0.00477,
+ TNZ2=1.05E-5,
+ TISZ1=0.0357,
+ TISZ2=-5.716E-6,
+ TBV1=3.22E-4,
+ TBV2=1.17E-6,
+ TIBV1=0.00775,
+ TIBV2=3.42E-5
****DC forward****
+ ISR=6.813E-16,
+ NR=1.019,
+ Res=0.108
****DC reverse****
+ Klow=441
+ p=1
+ ISZ=1.26E-13,
+ NZ=9732,
+ NBV=0.2,
+ BV=2110.7,
+ IBV=2.05E-5,
+ GREV=2.5E-12
******************
+ q=1.602E-019,
+ k=1.38E-023,
+ Vt={(k*(T+273))/q},
****Neutrons******
+ F=3.20E+13,
+ Ks=9.963E-14,
+ Kn=3.1617E-16,
+ GS {LIMIT((1/RS(T)-Ks*F),2.5E-6,1000)},
+ NRN {NRT(T)+Kn*F}
*** TEMP FWD ***
.FUNC EG_T(T) {EG-3.3*0.001*((T+273)-300)}
.FUNC NRT(T) {NR*(1+TN1*(T-TNOM)+TN2*(T-TNOM)*(T-TNOM))}
.FUNC ISRT(T) {ISR*pwr(T/TNOM,XTIR/NRT(T))*exp((T/TNOM-1)*(EG_T(T)
+/NRT(T)*Vt))}
.FUNC RS(T) {Res*(1+TRS1*(T-TNOM)+TRS2*(T-TNOM)*(T-TNOM))}
*** TEMP REV ***
37
.FUNC
.FUNC
.FUNC
.FUNC
NZT(T)
ISZT(T)
BVT(T)
IBVT(T)
......................................
{NZ*(1+TNZ1*(T-TNOM)+TNZ2*(T-TNOM)*(T-TNOM))}
{ISZ*(1+TISZ1*(T-TNOM)+TISZ2*(T-TNOM)*(T-TNOM))}
{BV*(1+TBV1*(T-TNOM)+TBV2*(T-TNOM)*(T-TNOM))}
{IBV*(1+TIBV1*(T-TNOM)+TIBV2*(T-TNOM)*(T-TNOM))}
*** DC forward ***
.FUNC IRec(V) {ISRT(T)*(exp(V/(NRN*Vt))-1)}
**
.FUNC Idf(V) {IRec(V)}
*** DC reverse ***
.FUNC IZ(V) {-(ISZT(T)*(exp(-(V)/(NZT(T)*Vt))-1))*exp(Klow*PWR(PWR(
+abs(V),p),1/4)/(273+T))}
.FUNC IBD(V) {-IBVT(T)*(exp(-(V+BVT(T))/NBV*Vt)-exp(-BVT(T)/NBV*Vt))}
**
.FUNC Idr(V) {IZ(V)+IBD(V)}
GDIODE A MID VALUE={Idf(V(A,MID))+Idr(V(A,MID))}
Rs MID K {1/GS}
Rrev A MID {1/GREV}
.ENDS
10
10
1
100m
10m
1m
100µ
10µ
1µ
100n
10n
1n
100p
10p
1p
100f
10f
simulovane
zmerene
simulovane
zmerene
9
27°C
8
7
75°C
6
IF [A]
IF [A]
125°C
75°C
5
4
125°C
3
2
27°C
1
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0,0
1,8
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
UF [V]
UF [V]
a)
b)
1,2
1,4
1,6
1,8
Obrázek 6.3. Porovnání naměřených a simulovaných propustných charakteristik a) v oblasti nízké injekce, b) v oblasti vysoké injekce.
Na Obr. 6.3 je porovnání změřených charakteristik v oblasti nízké a vysoké injekce. Z
grafů je vidět dobrá shoda jednotlivých simulovaných charakteristik s naměřenými daty.
Charakteristiky byly simulovány pro parametr T = [27,75,125], takže i teplotní závislost
jednotlivých parametrů jsou v dobré shodě se skutečnými teplotními závislostmi.
Na Obr. 6.4 je porovnání změřených a simulovaných charakteristik v oblasti nízkých závěrných napětí a v oblasti průrazu. V oblasti průrazu je vidět poměrně dobrá
38
............................................
100µ
50µ
simulovane
zmerene
DUSPICEUmodel
10µ
1µ
simulovane
zmerene
40µ
100n
125°C
75°C
27°C
30µ
10n
IR [A]
IR [A]
6.3 Simulace
125°C
1n
20µ
100p
10µ
75°C
27°C
10p
1p
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
1000
1200
1400
1600
UR [V]
UR [V]
a)
b)
1800
2000
2200
Obrázek 6.4. Porovnání naměřených a simulovaných závěrných charakteristik a) v oblasti
nízkých závěrných napětí, b) v oblasti průrazu.
shoda s naměřenými charakteristikami. I teplotní závislost průrazného napětí je v dobré
shodě s naměřenými daty. V oblasti nízkých závěrných napětí se charakteristiky příliš
neshodují, ale např. v porovnání se standardním SPICE modelem (čárkovaně), který
byl navržen tak, aby se charakteristiky shodovaly v oblasti kolem 300V je aproximace
navrženým modelem mnohem lepší. Se standardním SPICE modelem, nelze dosáhnout
požadovaného sklonu.
1 1
T e p lo ta = 2 7 ° C
1 0
9
8
7
IF [A ]
6
5
P a ra m e tr F :
4
0
3
6 ,4 6 E + 1 2
3 ,2 0 E + 1 3
8 ,0 4 E + 1 3
2
1
0
0 ,0 0
0 ,2 5
0 ,5 0
0 ,7 5
1 ,0 0
U
1 ,2 5
F
1 ,5 0
1 ,7 5
2 ,0 0
2 ,2 5
[V ]
Obrázek 6.5. Úkázka simulovaných propustných charakteristik pro různé hodnoty parametru F - SPICE modelu.
Na Obr. 6.5 je porovnání simulovaných propustných charakteristik pro různé hodnoty
parametru F, který představuje obdrženou dávku.
6.3
Simulace
Pro ukázku činnosti diody v prostředí se zvýšenou úrovní neutronové radiace byl vybrán
jednocestný diodový usměrňovač. Usměrňovač byl buzen sinusovým signálem o efektivní
39
......................................
hodnotě 230V a frekvenci 50Hz, tzn. standardní rozvodní síť nízkého napětí, a zatížen
odporovou zátěží o velikosti 57.5Ω, což znamená, že střední hodnota výkonu na zátěži
v případě ideálního spínače na místo diody je cca 456,42W. Na Obr. 6.6 je schéma
zapojení usměrňovače.
D1
SiCSchottky
V1
R1
57.5
VOFF = 0
VAMPL = 325
FREQ = 50
AC = 0
0
Obrázek 6.6. Schéma zapojení usměrňovače.
4 5
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
4 0
3 5
o z a re n i
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
3 0
2 0
P
D
[W ]
2 5
1 5
1 0
5
0
0 ,0 0
0 ,0 1
0 ,0 2
0 ,0 3
0 ,0 4
0 ,0 5
0 ,0 6
c a s [s ]
Obrázek 6.7. Výkonová ztráta na diodě pro různé dávky ozáření.
Na Obr. 6.7 jsou zobrazeny okamžité ztráty na diodě pro různé dávky ozáření. Ze
simulovaných dat je patrné, že ztráta na diodě roste tak rychle, jak klesá vodivost
epitaxní vrstvy.
40
............................................
6.3 Simulace
Na Obr. 6.8 jsou zobrazeny úbytky napětí na diodě pro různé dávky ozáření. Úbytek
na diodě se pro závěrnou polarizaci s dávkou téměř nemění. Na Obr. 6.9 je zobrazen
detail úbytků napětí v propustné polarizaci diody pro různé dávky ozáření. Propustný
úbytek roste tak rychle, jak rychle klesá vodivost epitaxní vrstvy. Ze simulovaných
charakteristik je zřejmé, že v případě práce usměrňovače v prostředí se zvýšenou neutronovou radiací bude klesat účinnost usměrňovače. Pro vysoké dávky bude odpor
diody natolik velký, že úbytek v propustné polarizaci začne být srovnatelný s úbytkem
v závěrné polarizaci a tím přestane usměrňovač plnit svou funkci.
0
-5 0
-1 0 0
-2 0 0
-2 5 0
U
A K
[V ]
-1 5 0
-3 0 0
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
-3 5 0
-4 0 0
o z a re n i
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
-4 5 0
0 ,0 0
0 ,0 1
0 ,0 2
0 ,0 3
0 ,0 4
0 ,0 5
0 ,0 6
c a s [s ]
Obrázek 6.8. Úbytky napětí na diodě pro různé dávky ozáření.
6
5
4
A K
[V ]
3
U
2
1
0
-1
b e z
6 ,4 6
3 ,2 0
8 ,0 4
0 ,0 2 2
o z a re n i
E + 1 2
E + 1 3
E + 1 3
0 ,0 2 4
0 ,0 2 6
0 ,0 2 8
c a s [s ]
Obrázek 6.9. Úbytky napětí na diodě pro různé dávky ozáření - detail.
41
Kapitola
Závěr
7
V rámci studia vlivu neutronového záření na diody C2D05120A bylo zjištěno, že neutronové záření značně negativně ovlivňuje propustné charakteristiky. Nejvýraznější vliv byl
zjištěn u sériového odporu diody, který je převážně tvořen odporem epitaxní vrstvy. Z
naměřených závislostí poklesu koncentrace volných elektronů a poklesu vodivosti diody
v oblasti vysoké injekce, kde se projevuje hlavně vodivost (odpor) epitaxní vrstvy, bylo
zjištěno, že pokles vodivosti je způsoben nejen poklesem dotace vlivem deaktivace příměsí v epitaxní vrstvě, ale pravděpodobně také poklesem pohyblivosti elektronů. Při
porovnání s katalogovými údaji, lze odhadnout, že diody splňují katalogové údaje pro
propustné charakteristiky, tj. úbytek max. 1,8V/5A (27◦ C), až do dávky B(3,20E+13).
U vyšších dávek je již nárůst sériového odporu diody příliš velký.
Z hlediska vlivu neutronového záření na závěrné charakteristiky nebylo zjištěno ani
pro jednu dávku překročení katalogových údajů. Závěrný proud se s narůstající dávkou
téměř nemění, pouze u vyšších dávek je v oblasti nízkých závěrných napětí patrný
rychlejší nárůst proudu na nominální hodnotu. Vliv neutronů na průrazné napětí se
z dostupných vzorků nepodařilo jednoznačně určit, nicméně do dávky C vykazovaly
vzorky klesající tendenci průrazného napětí.
Dále byla v rámci této práce popsána a navržena metoda pro dynamické měření statických závěrných charakteristik výkonových součástek (v rámci této práce pro měření
diod). Navržená metoda poskytuje srovnatelné výsledky jako klasické statické měření,
ale za podstatně kratší čas. Metoda se hodí pro rychlé charakterizace výkonových součástek, kde není vyžadována velká přesnost měření. Pro přesná měření je vhodně zvolit
statický režim, který navržená metoda také umožňuje.
Dále byl v rámci zadání práce navržen SPICE model SiC MPS Schottky diody
C2D05120A od společnosti Cree. Navržený model umožňuje přesně modelovat propustné charakteristiky studované diody a v porovnání s klasickým SPICE modelem,
nabízí mnohem lepší shodu simulovaných a změřených dat v oblasti závěrných charakteristik. Model diody má implementovány i teplotní závislosti a také umožňuje simulaci
vlivu neutronového záření zadáním parametru F (fluence) v modelu.
42
Literatura
[1] Stephen E. Saddow and Anant K. Agarwal. Advances in Silicon Carbide Processing
and Applications. Artech House, 1st edition, 2004.
[2] Ioffe Physical Technical Institute. Physical properties of semiconductors - SiC.
http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/index.html.
[3] Robert Perret. Power Electronics Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, 1st
edition, 2010.
[4] Helmuth Spieler. Introduction to Radiation-Resistant Semiconductor Devices and
Circuits. Lawrence Berkeley National Laboratory, 1996.
http://www-physics.lbl.gov/~spieler/radiation_effects/rad_tutor.pdf.
[5] Z. Doležal. Polovodičové detektory v jaderné a subjaderné fyzice - Text k přednášce
JSF101p1a. Karlova Univerzita, 2007.
http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~dolezal/teach/semicon.
[6] C. Clayes and E. Simoen. Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials
and Devices. Springer, 1st edition, 2002.
[7] K. Iniewski. Radiation Effects in Semiconductors. CRC Press, 1st edition, 2011.
[8] Mrinal K. Dasa, Brett A. Hull, James T. Richmond, Bradley Heath, Joseph J.
Sumakeris, and Adrian R. Powell. Ultra high power 10 kv, 50 a SiC PiN diodes.
IEEE, 2005.
[9] Nam-Oh Kim, Wan-Ki Min, Kyung-Min Sung, Kuzama Suzuki, Yasonuri Tanaka,
and Hiromichi Ohashi. Electric and physical chacteritics of a SiC-PiN Diode for
high-power devices. IEEE, 2008.
[10] J. Lutz, H. Schlangenotto, U. Scheuermann, and R. De Doncker. Semiconductor
Power Devices. Springer, 1st edition, 2011.
[11] Seong-Jin Kim, Dong-Ju Oh, Soon-Jae Yu, and Yong-Deuk Woo. Breakdown
voltage characteristics of sic schottky barrier diode with aluminum deposition edge
termination structure. IEEE, 2006.
[12] Cree, Inc. Cpw3-1700-s025b datasheet, 2010.
http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/CPW31700S025B.
pdf.
[13] P. Alexandrova, W. Wrighta, M. Pana, M. Weinera, L. Jiaob, and J.H Zhao. Demonstration of high voltage (600- 1300 V), high current (10-140 A), fast recovery
4H-SiC p-i-n/schottky(MPS) barrier diodes. Solid-State Electronics, 2003.
[14] Cree, Inc. C2m0080120d, 2013.
http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/C2M0080120D.pdf.
[15] Benda V. A0m13mkv - přednášky, 2012.
[16] W. Bergner, F. Bjoerk, D. Domes, and G. Deboy. Infineon 1200v SiC JFET - the
new way of efficient and reliable high voltages switching. Infineon, 2011.
[17] K. Ishikawa, H. Onose, Y. Onose, T. Ooyanagi, T. Someya, N. Yokoyama, and
H. Hozouji. Normally-off SiC-JFET inverter with low-voltage control and a highspeed drive circuit. IEEE, 2007.
43
Literatura
.............................................
[18] F. Nava, A. Castaldini, A. Cavallini, P. Errani, and V. Cindro. Radiation detection properties of 4H-SiC schottky diodes irradiated up to 1016 n/cm2 by 1
MeV neutrons. IEEE, 2006.
[19] Hui Zhang, Leon M. Tolbert, and Burak Ozpineci. System modeling and characterization of sic schottky power diodes. IEEE, 2006.
[20] J. A. Kulisek. The Effects of Nuclear Radiation on Schottky Power Diodes and
Power MOSFETs. PhD thesis, The Ohio State University, 2010.
[21] F. Barry McLean, James M. McGarrity, Charles J. Scozzie, C. Wesley Tipton,
and W. Merle DeLancey. Analysis of neutron damage in high-temperature silicon
carbide jfets. IEEE, 1994.
[22] H. Alan Mantooth and Jeffrey L. Duliere. Unified diode model for circuit simulation. IEEE, 1997.
[23] H. Alan Mantooth, Jeffrey L. Duliere, and R. Glenn Perry. A systematic approach
to power diode characterization and model validation. IEEE, 1995.
[24] Ty R. McNutt, Jr. Allen R. Hefner, H. Alan Mantooth, Jeffrey L. Duliere, David W.
Berning, and Ranbir Singh. Silicon carbide pin and merged pin schottky power
diode models implemented in the saber circuit simulator. IEEE, 2004.
[25] Cadence. Pspice a/d reference guide, 2012.
[26] J. Dabrowski and J. Zarebski. Silicon power schottky diodes model implemented
in spice. IEEE, 2008.
44
Příloha A
Zadání práce
45
Příloha B
Katalogový list C2D05120A
C2D05120A–SiliconsCarbidesSchottkysDiode
Ze r o r e c o
v e r y®
Re c t if ie R
Features
•r
•r
•r
•r
•r
•r
•r
VRRM <rPUxxrV
IF
<rWrJ
Qc
<rUGrn7
Package
PUxxIVoltrSchottkyrRectif er
ZerorReverserRecoveryr7urrent
Zeror/orwardrRecoveryrVoltage
HighI/requencyrOperation
TemperatureIIndependentrSwitchingr+ehavior
jxtremelyr/astrSwitching
PositiverTemperaturer7oeff cientronrV/
rrrrrTOIUUxIU
Benef ts
•r
•r
•r
•r
•r
Replacer+ipolarrwithrUnipolarrRectif ers
jssentiallyrNorSwitchingrLosses
Higherrjff ciency
ReductionrofrHeatrSinkrRequirements
ParallelrbevicesrWithoutrThermalrRunaway
Applications
•r
•r
•r
•r
SwitchrModerPowerrSuppliesr
Powerr/actorr7orrection
Motorrbrives
HighrVoltagerMultipliers
r
PartsNumber
Package
Marking
7UbxWPUxJ
TOIUUxIU
7UbxWPUx
MaximumsRatings
b
bxWPUx RevB
batasheet6 7U
Symbol
Parameter
Value
Unit
TestsConditions
VRRM
RepetitiverPeakrReverserVoltage
PUxx
V
VRSM
SurgerPeakrReverserVoltage
PUxx
V
Vb7
b7r+lockingrVoltage
PUxx
V
J
T7<PMx˚7mrb7
T7<PUW˚7mrb7
I/qJVGO
Jverager/orwardr7urrent
W
Px
I/qPjJKO
Peakr/orwardr7urrent
PW
J
T7<PUW˚7mrTRjPKPmSmrbuty<xBW
I/RM
RepetitiverPeakr/orwardrSurger7urrent
Nx
J
T7<UW˚7mrtP<PxrmsmrHalfrSinerWave
I/SM
NonIRepetitiverPeakr/orwardrSurger7urrent
Pxx
J
T7<UW˚7mrtP<PxrµsmrPulse
Powerrbissipation
PNM
LW
W
T7<UW˚7
T7<PUW˚7
Ptot
TJrmrTstg
OperatingrJunctionrandrStoragerTemperature
TOIUUxrMountingrTorque
IWWrtor
TP(W
˚7
P
GBG
Nm
lbfIin
Note
MNrScrew
MINUrScrew
1
47
.....................................
B Katalogový list C2D05120A
ElectricalvCharacteristics
Symbol
Typ.
Max.
ForwardsVoltage
:H)
mH)
:H8
jHN
V
IR
ReversesCurrent
WN
:NN
mNN
:NNN
µA
VR =s:mNNsVs TJ=mW°C
VR =s:mNNsVs TJ=:7W°C
QC
TotalsCapacitivesCharge
m8
nC
VRs=s:mNNsVfsIF =sWsA
dizdt =sWNNsAzµs
TJ =smW°C
C
TotalsCapacitance
yWW
yW
jj
pF
VRs=sNsVfsTJs=smW°Cfsfs=s:sMHz
VRs=smNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHz
VRs=syNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHz
VF
Parameter
Unit
TestvConditions
Note
IF =sWsAs TJ=mW°C
IF =sWsAs TJ=:7W°C
Note:
:Hs ThississasmajorityscarriersdiodefssostheresissnosreversesrecoveryschargeH
ThermalvCharacteristics
Symbol
Parameter
Typ.
Unit
RθJC
ThermalsResistancesfromsJunctionstosCase
:H:
°CzW
mN
mNN
:8
:8N
:)
:)N
:y
:yN
IRv ReversevCurrentvwμA)
IF ForwardvCurrentvwA)
TypicalvPerformance
:m
:N
8
)
:NN
8N
)N
y
yN
m
mN
N
Ns
:HNs
mHNs
jHNs
yHNs
N
WHN
Ns
VFvForwardvVoltagevwV,
WNNs
:NNNs
VRvReversevVoltagevwV,
Figures:HsForwardsCharacteristics
2
:mN
FiguresmHsReversesCharacteristics
CmDNW:mNsRevHsD
48
:WNNs
.................................................
ElectricalvCharacteristics
Symbol
Typ.
Max.
ForwardsVoltage
:H)
mH)
:H8
jHN
V
IR
ReversesCurrent
WN
:NN
mNN
:NNN
µA
VR =s:mNNsVs TJ=mW°C
VR =s:mNNsVs TJ=:7W°C
QC
TotalsCapacitivesCharge
m8
nC
VRs=s:mNNsVfsIF =sWsA
dizdt =sWNNsAzµs
TJ =smW°C
C
TotalsCapacitance
yWW
yW
jj
pF
VRs=sNsVfsTJs=smW°Cfsfs=s:sMHz
VRs=smNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHz
VRs=syNNsVfsTJs=smW˚Cfsfs=s:sMHz
VF
Parameter
Unit
TestvConditions
Note
IF =sWsAs TJ=mW°C
IF =sWsAs TJ=:7W°C
Note:
:Hs ThississasmajorityscarriersdiodefssostheresissnosreversesrecoveryschargeH
ThermalvCharacteristics
Symbol
Parameter
Typ.
Unit
RθJC
ThermalsResistancesfromsJunctionstosCase
:H:
°CzW
mN
mNN
:8
:8N
:)
:)N
:y
:yN
IRv ReversevCurrentvwμA)
IF ForwardvCurrentvwA)
TypicalvPerformance
:m
:N
8
)
:NN
8N
)N
y
yN
m
mN
N
Ns
:HNs
mHNs
jHNs
yHNs
N
WHN
Ns
VFvForwardvVoltagevwV,
WNNs
:NNNs
VRvReversevVoltagevwV,
Figures:HsForwardsCharacteristics
2
:mN
FiguresmHsReversesCharacteristics
CmDNW:mNsRevHsD
49
:WNNs
Příloha C
Deska plošného spoje
ART FILM - assembly_TOP
H*
C26
R56
GND
C16
GATE
C18
JP11
P_RL
P_L1
C20
ANODA
KATODA
U6
J2
R58
R34
C19
R57
P6
C29
C21
R5
R4
R3
R2
C14
C13
R55
J4
U4
C15
R1
JP3
J3
D6
U1
C25
P1 P2 P3P14P5
C17
H*
RL
J*
A6
K6
TPA5
GATE_IN
G5- G5+
J*
G6
TPK5
GATE5
ANODA5
KATODA5
L1
TPG5
KATODA4
J*
H*
H*
TPG6
TPA6
ANODA4
G6- G6+
ANODA6
KATODA6
TPK6
GATE6
A4
U3
A5
K5
G5
U2
K4
G7
K7
A7
K1
A1
G8- G8+
ANODA2
TPA8
KATODA2
GATE8
ANODA8
KATODA8
TPK8
TPG8
KATODA3
K3
TPG7
KATODA7
ANODA7
G7- G7+
GATE7
TPA7
KATODA1
TPK7
ANODA1
K2
51
A2
G8
K8
A8
ART FILM - assembly_TOP
ANODA3
A3
C Deska plošného spoje
.......................................
ART FILM - BOT
J*
J*
J*
ART FILM - BOT
ART FILM - TOP
H*
C26
R56
GND
C16
GATE
C18
P_RL
P_L1
RL
JP11
C20
ANODA
KATODA
U6
J2
R58
R34
C19
R57
P6
C29
C21
R5
R4
R3
R2
C14
C13
R55
J4
U4
C15
R1
JP3
J3
D6
U1
C25
P1 P2 P3P14P5
C17
H*
TOP
J*
A6
K6
TOP
TPK5
TPA5
GATE_IN
G5- G5+
J*
G6
GATE5
TOP
ANODA5
KATODA5
TPG5
KATODA4
L1
J*
H*
H*
TPG6
TPA6
ANODA4
G6- G6+
ANODA6
KATODA6
TPK6
GATE6
A4
U2
U3
A5
K5
G5
IR_v03
K4
G7
K7
A7
K1
A1
G8- G8+
ANODA2
TPA8
KATODA2
GATE8
ANODA8
KATODA8
TPK8
TPG8
KATODA3
K3
TPG7
KATODA7
ANODA7
G7- G7+
GATE7
TPA7
KATODA1
TPK7
ANODA1
K2
52
A2
G8
K8
A8
ART FILM - TOP
ANODA3
A3
Příloha D
Obsah přiloženého CD
.
..
/doc - Text diplomové práce ve formátu pdf, obrázky a zdrojové soubory ve formátu
plainTex
/neutrony-data - Naměřená data
/SPICE-model -Implementovaný SPICE model ve formátu podobvodu (SUBCKT)
53

Radiační odolnost výkonových součástek na bázi SiC

Transkript

Podobné dokumenty

Práce je ke stažení zde. - Pohony elektrických vozidel

Aplikace principů zelené ekonomiky v Evropské unii

top flyer - Tower Hobbies

Sborník textů k problematice domácího násilí

Zde - O Prevenci kriminality

Analýza spolehlivosti - Výzkumný a zkušební letecký ústav

SIMPLE3 - Popis jazyka

Schválený rozpočet na rok 2011

Firma pracující v prostředí Google

Teorie v porodní asistenci KOPA/TPA5 - 2015/2016 Datum