دانشگاه آزاد اسلامی واحد دامغان 

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق 

عنوان :

 کارایی ادوات نیمه هادی در مصارف مختلف

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی گردد
تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فصل اول
مقدمه
کارایی ادوات نیمه هادی در مصارف مختلف، به چگونگی ساختار آن ها و پارامترهای مختلف الکتریکی وابسته می باشد. در میان افزاره های مختلف نیمه هادی، ترانزیستورهای اثر میدان توجه صنعت الکترونیک را به خود جلب کرده می باشد. کارایی بالای این افزاره ها، موردها بهره گیری ی آن ها را از نانوتکنولوژی تا ترانزیستورهای قدرت گسترش داده می باشد ]3-1[. در افزاره های قدرت، پارامترهایی از قبیل ولتاژ شکست، مقاومت حالت روشن ، سرعت کلیدزنی و فرکانس کاری، از ویژگی های الکتریکی مهم تر می باشند. پس، برای بهبود کارایی این دسته از افزاره ها بایستی ضمن مطالعه عملکرد دقیق هر ساختار، روش های نوینی را ارائه و مورد ارزیابی قرار داد.
در این فصل به مطالعه مشخصه ی ترانزیستور اثر میدان پرداخته می گردد، تا با درک مفهوم کلی و چگونگی ی سازوکار این ترانزیستور ها، بتوان ترانزیستورهای قدرت را مورد ارزیابی قرار داد. در ادامه ی این فصل نیز به کاربردهای افزاره های قدرت و انواع آن ها تصریح شده می باشد.
1-1) مشخصات جریان-ولتاژ ترانزیستور اثر میدان MOSFET
مشخصه ی جریان- ولتاژ ترانزیستور MOS در شکل (1-1) نشان داده شده می باشد. چنانچه ولتاژ مثبت VD بین درین و سورس و ولتاژ VG کمتر از ولتاژ آستانه به گیت اعمال گردد، افزاره در حالت انسداد قرار می گیرد. این ولتاژ انسداد MOSFET با شکست بهمنی محدود می گردد. با در نظر داشتن شکل (1-1)، در ولتاژهای VD پایین، مشخصه ی جریان-ولتاژ شبیه یک خط راست می باشد که به این قسمت، ناحیه ی اهمی ترانزیستور می گویند.
با در نظر داشتن شیب خط راست و برای یک ولتاژ گیت معیّن VG، مقاومت حالت روشن بدست می آید. همچنین در این مشخصه، گذر بین ناحیه اهمی و ناحیه سوراخ شدگی ، شبه اشباع نامیده می گردد.
همان گونه که در شکل نظاره می گردد، این ناحیه به صورت سهمی وار می باشد.
شکل (1-1)- مشخصه جریان-ولتاژ ترانزیستور MOSFET ]4[.
1-1-1) مشخصات کانال ترانزیستور MOSFET
برای مطالعه مشخصات ناحیه ی کانال، به گیت ترانزیستور ولتاژی بیشتر از ولتاژ آستانه اعمال می گردد تا کانال در آستانه ی وارونگی قرار گیرد. این شرایط در شکل (1-2) نشان داده شده می باشد. بار کانال در حالت وارونگی از ارتباط ی زیر بدست می آید:
(1-1)
که در این ارتباط، C ox خازن مربوط به اکسید گیت می باشد و VT ولتاژ آستانه ترانزیستور می باشد. بایستی توجه گردد که حامل ها در برقراری جریان در کانال وارونه، نقشی اساسی دارند. با مطالعه مقاومت ناحیه ی کانال می توان ارتباط ای را برای جریان بدست آورد. مقاومت ناحیه ی کانال در حالت وارونگی از ارتباط زیر بدست می آید ]4[:
(1-2)
که در آن، L طول ناحیه کانال ترانزیستور می باشد و W، پهنای آن می باشد. پارامترهایی که به هندسه افزاره مربوط می-گردد را می توان به صورت:
(1-3)
نشان داد.
شکل (1-2)- کانال ترانزیستور MOSFET: الف) VD≤VG-VT ب) VD=VG-VT ج) VD≥VG-VT ]4[.
با افزایش جریان، افت ولتاژ V(y) در طول کانال توسعه می یابد. در این شرایط، کانال ترانزیستور نازک تر می گردد. همچنین، در طول کانال (y)، بار Q(y) هست. با در نظر گرفتن بار Q(y)در کانال ترانزیستور می توان مقاومت کانال را در راستای yبدست آورد. چنانچه یک جزء دیفرانسیلی dR از مقاومت کانال ترانزیستور را در نظر بگیریم، با در نظر داشتن معادله (1-2) می توان نوشت:
(1-4)
که در این ارتباط، Q(y) برابر می باشد با:
(1-5)
در جزء دیفرانسیلی dR، افت ولتاژ از ارتباط ی زیر بدست می-آید:
(1-6)
با جایگذاری معادلات (1-4) و (1-5) در معادله ی (1-6)، جریان به صورت ارتباط ی زیر می گردد:
(1-7)
که در آن، ولتاژ VD بین مرزهای 0=y و L=y از ارتباط:
(1-8)
بدست می آید.
با انتگرال گیری از ارتباط ی (1-8)، مشخصه ی جریان درین بر حسب ولتاژ گیت برای محدوده ی VD<VG-VT بدست می آید:
(1-9)
این مشخصه، مربوط به قسمت سهمی وار (شبه اشباع) شکل (1-1) می باشد. برای ولتاژهای درین پایین، جریان درین را می-توان به صورت زیر تقریب زد:
(1-10)
این ارتباط برای ناحیه ی اهمی معتبر می باشد. گذر از ناحیه ی سوراخ شدگی، با مشتق گیری از ارتباط ی (1-9) بدست می-آید ، بعد از آن کانال، برای ولتاژ:
(1-11)
در حالت سوراخ شدگی قرار می گیرد.
برای ولتاژهای درین بالا، با وارد کردن معادله ی (1-11) در معادله ی (1-9)، مشخصات ترانزیستور در ناحیه سوراخ شدگی بدست می آید. در این ناحیه، جریان حتی برای ولتاژهای درین بالا، تقریباً ثابت باقی می ماند:
(1-12)
با در نظر داشتن ارتباط ی (1-12)، جریان IDsat مستقل از VD می باشد. علّت فیزیکی این پدیده، نفوذ میدان الکتریکی به داخل ناحیه ی P می باشد. پس، وقتی که ولتاژ درین به گونه موثری افزایش یابد، طول کانال کوتاه تر می گردد . کوتاه شدن طول کانال موجب افزایش جریان در ولتاژهای بالا می گردد.
چنانچه ارتباط ی (1-9) با مشخصات افزاره های قدرت واقعی مقایسه گردد، می توان دریافت که این ارتباط نمی تواند رفتار واقعی افزاره های قدرت را توصیف کند ]5[. در این ارتباط، ناحیه ی تخلیه ی ایجاد شده در زیر ناحیه کانال مقصود نشده می باشد. پس چنانچه بار فضا در مشخصه ی جریان-ولتاژ لحاظ گردد، ارتباط ی زیر بدست می آید:
(1-13)
که در این ارتباط، CD از ارتباط ی زیر بدست می آید:
(1-14)
همچنین VTΔ ولتاژ مورد نیاز برای گسترش ناحیه ی بار فضا به سمت ناحیه ی P و با اندازه تزریق NA می باشد که به صورت زیر اظهار می گردد :
(1-15)
خاطر نشان می گردد که مقدار VTΔ تقریباً برابر با 81/0 ولت می باشد. پس می توان جریان درین را با در نظر گرفتن بارفضا بدست آورد تا روابط بدست آمده به مشخصات افزاره های قدرت واقعی نزدیک تر باشند.
پس با محاسبه ی مشخصه ی جریان –ولتاژ، می توان رفتار ترانزیستور را مورد ارزیابی قرار داد. با در نظر داشتن این که این رساله به مطالعه ترانزیستورهای قدرت اثر میدان می پردازد، بایستی با در نظر داشتن کاربردهای افزاره های قدرت، تغییراتی را در ساختار ترانزیستورهای اثر میدان ایجاد نمود تا بتوان مشخصه ی مطلوب را بدست آورد. در ادامه ی فصل به این موضوع پرداخته شده می باشد.
1-2) کاربردهای ادوات قدرت
ادوات قدرت با در نظر داشتن کاربردهایشان در طیف گسترده ای از سطوح مختلف قدرت مورد بهره گیری قرار می گیرند. با در نظر داشتن شکل (1-3)، کاربردهای ادوات قدرت در چند گروه تقسیم بندی می شوند. اولین گروه، کاربردهایی می باشد که افزاره نیاز به جریان کم دارد (عموماً کمتر از یک آمپر). این کاربردها، مانند راه اندازهای نمایشگرها، معمولاً نیاز به تعداد بسیار زیادی ترانزیستور دارند که بایستی قابلیت ولتاژ شکست حدود 300 ولت را داشته باشند. ابعاد کوچک ترانزیستورهای با جریان پایین، این اجازه را می دهد تا آن ها را در یک تراشه مجتمع سازی کنیم.
دومین گروه، شامل کاربردهایی می باشد که حوزه ی عملکرد ولتاژ آن ها در مدارهای قدرت، نسبتاً کم می باشد (کمتر از 100 ولت). خودروهای الکترونیکی و منابع قدرت مورد بهره گیری در صفحه نمایش کامپیوترها و لپ تاپ ها، نمونه هایی از این گروه هستند. خاطر نشان می گردد، ساختارهای ترانزیستورهای اثر میدان قدرت سیلیسیمی به نحوی می باشد که کارایی قابل توجه ای در این راستا دارند، زیرا مقاومت حالت روشن پایین و سرعت کلیدزنی بالایی را از خود نشان می دهند.
سومین گروه، کاربردهای افزاره ها در مدارات با ولتاژ بالا (بالای 200 ولت) می باشد. از نمونه های این بخش می توان به موتورهای لوازم خانگی و همچنین راه اندازهای وسایل الکتریکی تصریح نمود. از آنجا که مقاومت حالت روشن ترانزیستورهای اثرمیدان قدرت سیلیسیمی متداول بسیار بزرگ می باشد، پس نمی توان از آن ها در کاربردهایی که در بالا اظهار گردید بهره گیری نمود. در نتیجه بایستی از ترانزیستورهای دوقطبی با گیت جدا شده (IGBT) بهره گیری نمود ]6[. ترانزیستورهای IGBT ترکیبی از ساختار فیزیکی ترانزیستورهای اثرمیدان و ترانزیستورهای دوقطبی می باشند ]7[.
امروزه، بیشتر ترانزیستورهای قدرت در تکنولوژی سیلیسیم روی عایق (SOI) شکل می گیرند ]8-17[. چنانچه این ترانزیستورها در بستری از سیلیسیم شکل گیرند، اثرات نامطلوبی را از خود بر جای می گذارند، که می توان ایجاد ترانزیستور دو قطبی پارازیتی و افزایش خازن بین کانال و زیر لایه و غیره را نام برد ]18-20[. پس برای کنترل این معایب، تکنولوژی SOI معرفی شده که در آن، لایه ای از اکسید مدفون در زیر ناحیه ی فعال ترانزیستور قرار گرفته -می باشد ]21-29[. ساختارهای متعددی در تکنولوژی SOI ارائه شده که به بهبود مشخصات ترانزیستورها منجر گردیده می باشد. در فصل های آینده به تعدادی از این ساختارها پرداخته می گردد.
شکل (1-3)- محدوده ی کاربردهای ادوات قدرت.
1-3) انواع ترانزیستورهای قدرت
نمای کلی ترانزیستور MOSFET در شکل (1-4) نشان داده شده می باشد. این ساختار، ولتاژ درین-سورس کوچکی را می تواند تحمّل کند. پس، برای کاربردهای قدرت بایستی این ساختار را اصلاح نمود. در شکل (1-5)، ساختاری را با نام ترانزیستور اثر میدان نفوذی (DMOS) نظاره می کنید که برای ولتاژهای 10 ولت و بالاتر کارایی دارد ]30-32[. در این ترانزیستور پیش روی درین ترانزیستور، ناحیه ای از نیمه هادی نوع n- ایجاد شده می باشد که موجب انسداد ولتاژ می گردد. ترانزیستورهای DMOS افقی (LDMOS) در مدارات مجتمع قدرت مورد بهره گیری قرار می گیرند ]33[. امّا این افزاره ها دارای مشکلاتی از قبیل ظرفیت پایین جریان دهی می باشند، زیرا ناحیه n- قسمت بزرگی از مساحت نیمه هادی را در برگرفته می باشد.
در سال 1985، ترانزیستور DMOS که به صورت عمودی شکل گرفته بود، ارائه گردید ]34[. از میان تمامی ساختارهای موجود ترانزیستورهای قدرت، ساختار D-MOSFET اولین ترانزیستور قدرتی بود که به صورت تجاری مورد بهره گیری قرار گرفت. ساختار ترانزیستور D-MOS عمودی نوع n همان گونه که در شکل (1-6) الف نشان داده شده می باشد، با بهره گیری از اختلاف در گسترش افقی پیوندها در زیر الکترود گیت ایجاد می گردد. این افزاره ها، ولتاژ مثبتی که به درین ترانزیستور اعمال می گردد را متحمّل می شوند. همچنین، مقدار ولتاژ اعمال شده با اندازه چگالی ناخالصی و ضخامت ناحیه ی رانشی نوع n، ارتباط دارد. خاطر نشان می گردد که ترانزیستورهای اثر میدانی که در کاربردهای قدرت با ولتاژ پایین به کار گرفته می شوند، مقاومت حالت روشن کوچکی دارند و مقاومت ناحیه ی رانشی سریعاً با افزایش ولتاژ انسداد زیاد می گردد. این شرایط موجب کاهش کارایی ترانزیستور D-MOSFET به ولتاژهای کمتر از 200 ولت می گردد.
ساختار دیگری که در کاربردهای قدرت بهره گیری می گردد، ترانزیستور U-MOSFET می باشد که به صورت تجاری در سال 1990 عرضه گردید. همان گونه که در شکل (1-6) ب نظاره می گردد، ساختار گیت این ترانزیستور به صورت جاسازی شده می باشد ]35-37[. چگونگی ی عملکرد این ساختار به گونه گسترده در فصل های آتی مطالعه شده می باشد.
شکل (1-4)- نمایی از ترانزیستور MOSFET.
شکل (1-5)- ساختار ترانزیستور DMOS افقی.
(الف) (ب)
شکل (1-6)- الف) ترانزیستور D-MOS عمودی، ب) ترانزیستور U-MOS.
پس با در نظر داشتن کاربردهای ترانزیستورهای قدرت و انواع آن ها، بایستی مشخصات این دسته از افزاره ها را بهبود بخشید.
در فصل دوم این رساله، به مطالعه ولتاژ شکست و مقاومت حالت روشن پرداخته شده می باشد. ضمن اظهار دو روش کلی برای یکنواخت تر کردن توزیع میدان الکتریکی، به محاسبه ی ولتاژ شکست و مقاومت حالت روشن می پردازیم. همچنین در انتهای این فصل تعدادی از روش هایی که گذشته موجب بهبود مشخصات ترانزیستورهای LDMOS گردیده، مطالعه شده می باشد.
فصل سوم، به ارائه ی ساختارهای جدید ترانزیستور LDMOS که در تکنولوژی سیلیسیم روی عایق (SOI) شکل گرفته اند، می پردازد. در ساختار جدید اول، چاه اکسیدی در ناحیه ی رانشی ترانزیستور در نظر گرفته شده و یک ناحیه ی سیلیسیمی نوع P در این چاه، جاسازی شده می باشد. این ساختار، ولتاژ شکست و مقاومت حالت روشن را بهبود می بخشد. در ساختار دوم، بارهای مثبت و منفی در فصل مشترک لایه ی اکسید مدفون و ناحیه ی رانشی در نظر گرفته شده می باشد. بارهای ایجاد شده، افزایش میدان الکتریکی عمودی را در لایه ی اکسید مدفون در پی داشته و ولتاژ شکست را افزایش می دهند. در آخرین ساختار، سه عایق اکسید سیلیسیم در ترانزیستور LDMOS تعبیه شده اند، به گونه ای که ساختاری شبیه حرف U انگلیسی ایجاد کرده اند. نتایج بدست آمده از شبیه سازی این ساختار جدید با نرم افزار ATLAS، بهبود مشخصات این ترانزیستور را نشان می دهد.
در فصل چهارم این رساله، مدلی جدید برای میدان سطحی و ولتاژ شکست ساختار RESURF ارائه شده می باشد. اساس این مدلسازی بر حل معادله ی پواسون استوار می باشد.
در فصل پنجم، اثر بدنه ی شناور که از معضلات تکنولوژی SOI می باشد، مطالعه شده می باشد. برای حل این مشکل نیز ساختار جدیدی ارائه شده که هدف اصلی آن کنترل حفره هایی می باشد که طی پدیده ی یونیزاسیون برخوردی در ناحیه ی کانال ترانزیستور، ایجاد شده اند. پس، می توان با کاهش اثرات نامطلوب بدنه ی شناور، کارایی ترانزیستور LDMOS را بهبود بخشید.
تعداد صفحه :61
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد مهندسی برق مخابرات: پردازش فضا و زمان در کانال های MIMO

***

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)        serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  **** ***

دسته‌ها: مهندسی برق