أجهزة WBG أشباه الموصلات لتطبيقات الجهد العالي – أخبار إلكترونيات الطاقة

منذ أن تم إدخال المواد ذات فجوة الحزمة العريضة في العديد من تقنيات التصنيع ، أصبح من الممكن تحقيق كفاءة عالية باستخدام أجهزة أشباه موصلات الطاقة مثل MOSFETs و الثايرستور و SCR. لتحسين تكنولوجيا التصنيع التي يمكن التحكم فيها ، يمكن استخدام مقاومة محددة للتحكم في غالبية أجهزة الطاقة في النظام. بالنسبة لوحدات MOSFET للطاقة ، تظل المقاومة على المقاومة معلمة حاسمة في تحسين تصميم خلية الوحدة وتثبيته. كان معيار الصناعة الرئيسي لأقصى قدر من التوصيل الكهربائي هو الجهد المحدد على المقاومة مقابل جهد الانهيار (R_ص مقابل V._BD) في تكنولوجيا المواد.

على الرغم من وجود العديد من التطورات في ثنائيات طاقة SiC و MOSFETS ، إلا أن تحسين هذه الأجهزة للتوصيل الكهربائي لا يزال يمثل عقبة كبيرة. في أي معيار قياس ، تعد دقة الدائرة ومخرجاتها جانبًا أساسيًا. علاوة على ذلك ، قد تنشأ مضاعفات إضافية ، حيث لا يذكر مصنعو الأجهزة معلمات التصميم الهامة في أوراق بيانات المكونات.

رابط لمقال IEEE الأصلي

بناء معلمات الصمام الثنائي ومنهجية الاستخراج المستخدمة

تم إجراء تجربة لاختبار ثنائيات الطاقة التجارية والمنفصلة 4H-SiC JBS ، والتي لها تصنيفات من 600 إلى 1700 فولت ومن 1 إلى 25 أ. تم تعبئة الأجهزة المراد اختبارها وفقًا لمعايير الصناعة TO-220 و TO-247. للحد من انتشار منطقة الشحن الفضائي إلى ما بعد التثقيب ، تم تطوير طبقة عازلة ذات منشطات أعلى لخلايا نصف وحدة من ثنائيات JBS الرأسية.

كما هو مبين في الشكل 1 ، تم توضيح الرسم التخطيطي لتوزيع المجال الكهربائي عند الانهيار. شدة المجال الكهربائي E._PT في الواجهة حول الانجراف حيث تكون واجهة أشباه الموصلات المعدنية أثناء فترة الانهيار. كل من المناطق العازلة و E._ج توجد لأن الطبقة العازلة من النوع n تحد من امتداد منطقة الشحن الفضائي إلى ما بعد التثقيب. وفقًا لخصائص السيرة الذاتية المحسوبة ، يتم استخراج كثافات المنشطات من منطقة الانجراف والطبقة العازلة.

السعة المقيسة المحسوبة للديود الصفري C_j0N مقابل إجمالي مساحة الصمام الثنائي الطبيعية تم حسابها. علاوة على ذلك ، يتطابق الخط المربع على الأقل مع نقاط البيانات ، مما يعني أن الثنائيات 600-V كانت مناسبة في التيار المقنن على طول منطقة الصمام الثنائي.

تم إجراء التقييم تحت درجة حرارة الغرفة من 22 درجة مئوية إلى 250 درجة مئوية للصمامات الثنائية ذات نطاق واسع من التصنيفات الحالية من 1 إلى 25 أمبير ، إلى جانب ثلاثة تصنيفات مختلفة للجهد تبلغ 600 و 1200 و 1700 فولت.

حسب القيم المستخرجة لكثافة المنشطات في منطقة الانجراف N_دكتور والجهد الكهربي الخامس_PT، يتم حساب معلمات تصميم الصمام الثنائي الرئيسية على النحو التالي:

من المعادلات أعلاه ، ه_ج هي قوة المجال الكهربائي الحرجة لانهيار الانهيار الجليدي و الخامس_BD هو الجهد انهيار الانهيار الجليدي. تقاطع أشباه الموصلات المعدنية المدمج في الجهد الخامس_ثنائية وارتفاع حاجز شوتكي صفر التحيز φ_{B0I الخامس} تم حسابها باستخدام الصيغ التالية:

قيمة ال أ* = 146 أ / سم²·ك²، وهو ثابت ريتشاردسون الفعال لـ 4H-SiC و ن_ج = 3 × 10¹⁵ سم^–3· (T)^3/2 يُظهر الكثافة الفعالة للحالات في نطاق التوصيل.

حساب مقاومة منطقة الانجراف

وفقًا لهيكل الصمام الثنائي JBS ، فإن مقاومة منطقة الانجراف الصافية R_دكتور يمكن حسابها باستخدام المعادلة التالية:

كما هو موضح في الصيغة أعلاه ، هناك ثلاث مقاومات متضمنة: ص_بو ص_{الفرعية}، و ص_ج. يتضمن ذلك تمثيل مقاومات الطبقة العازلة من النوع n ، والركيزة n + والتلامس الأومي لمعدن الكاثود مع الركيزة. هذه المقاومات مذكورة أدناه:

كما هو موضح في المعادلة أعلاه ، ρ_ب هي مقاومة الطبقة العازلة التي يمكن حسابها بسهولة حيث تُعرف كثافة المنشطات. مقاومة الركيزة ρ_{الفرعية} = 0.012 سم وسمك الركيزة ث_{الفرعية} = 377 ميكرومتر استخدمت في الحسابات ؛ للتلامس الأومي الكاثود ، مقاومة تلامس محددة ρ_ج = 2.5 × 10⁻⁵ سم² يستخدم. في مثل هذه الحالات ، حتى تغيير طفيف في ρ_ج ستؤثر القيم على نتائج أجهزة 600-V. مقاومة منطقة الانجراف المحددة R_DRS تم حسابه باستخدام:

الصمام الثنائي 4H-SiC JBS الخامس_BD = 600-V الركيزة ومقاومة التلامس الأومي الكاثود تساهم بشكل كبير في إجمالي مقاومة الصمام الثنائي.

بالنسبة للديودات التي تحتوي على حرف V._BD أكبر من 1200 فولت ، هناك فرصة لمزيد من التطوير في الموصلية الكهربائية ، والتي يمكن تلبيتها إذا تم تصنيف الثنائيات لجهد انهيار الانهيار الجليدي بدلاً من تيارات التسرب من خلال الثقب. من أجل تحقيق ذلك ، يجب تقليل الطبقة العازلة أو إزالتها تمامًا عن طريق تقليل العيوب البلورية في طبقة الانجراف.

تصميم تيارات التسرب العكسي

تيار التسرب العكسي أنا_إل في الصمام الثنائي شوتكي يتكون من عنصرين رئيسيين:

هنا، الخامس_ص هو مقدار جهد التحيز العكسي المطبق و أنا_SCH هو تيار الانبعاث الحراري الكلاسيكي.

كما هو موضح من التحليل ، فإن الأخطاء في قياس جهد التحيز العكسي بقيم أقل ناتجة عن امتثال معدات القياس. عندما يتعلق الأمر بالقيم الأعلى ، تكون التيارات النفقية أعلى بكثير مقارنة بالقياسات الفعلية ، مما يشير إلى وجود قابل للتطبيق لطبقة عازلة بينية بالقرب من المعدن و 4 H-SiC.

خاتمة

تم إجراء تجربة باستخدام قياسات IV و CV ثابتة قائمة على الفيزياء لعكس هندسة ثنائيات الطاقة التجارية 4H-SiC JBS. بمجرد إجراء عمليات المحاكاة ، يمكن فهم أن ثنائيات الطاقة التجارية 4H-SiC JBS تم تصنيفها لتيارات التسرب من خلال الثقب. تعمل ثنائيات الطاقة هذه في مجال كهربائي أقل بكثير من شدة المجال الكهربائي الحرج لأشباه الموصلات.

بصرف النظر عن هذا ، فإن ثنائيات طاقة SiC لها سعة تقاطع أكبر بكثير من ثنائيات طاقة السيليكون. مع تصنيفات متساوية ، هناك فرصة كبيرة لتعزيز الموصلية في حالة أجهزة الطاقة هذه. حاولت صناعة أشباه الموصلات بشكل كبير تقليل كثافة الخلل في 4H-SiC ، لكن النتائج لم تكن واعدة جدًا. يجب إجراء بحث مستقبلي حول هذا الموضوع لتعزيز الموثوقية طويلة المدى لأجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق العريض.

مرجع

تحسين الصمامات الثنائية عالية الجهد ذات فجوة الحزمة العريضة ، https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6971111