دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد رشته برق : کارایی ادوات نیمه هادی در مصارف مختلف

دانلود پایان نامه

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق 

با عنوان : کارایی ادوات نیمه هادی در مصارف مختلف

در ادامه مطلب می توانید تکه هایی از ابتدای این پایان نامه را بخوانید

و در صورت نیاز به متن کامل آن می توانید از لینک پرداخت و دانلود آنی برای خرید این پایان نامه اقدام نمائید.

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 شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فصل اول
مقدمه

کارایی ادوات نیمه هادی در مصارف مختلف، به چگونگی ساختار آن¬ها و پارامترهای مختلف الکتریکی وابسته است. در میان افزاره¬های مختلف نیمه هادی، ترانزیستورهای اثر میدان توجه صنعت الکترونیک را به خود جلب کرده است. کارایی بالای این افزاره¬ها، موارد استفاده¬ی آن¬ها را از نانوتکنولوژی تا ترانزیستورهای قدرت گسترش داده است ]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. بنابراین، برای بهبود کارایی این دسته از افزاره¬ها می¬بایست ضمن بررسی عملکرد دقیق هر ساختار، روش¬های نوینی را ارائه و مورد ارزیابی قرار داد.
در این فصل به بررسی مشخصه¬ی ترانزیستور اثر میدان پرداخته می¬شود، تا با درک مفهوم کلی و نحوه¬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 اشاره شده است.

1-1) مشخصات جریان-ولتاژ ترانزیستور اثر میدان MOSFET
مشخصه¬ی جریان- ولتاژ ترانزیستور MOS در شکل (1-1) نشان داده شده است. چنانچه ولتاژ مثبت VD بین درین و سورس و ولتاژ VG کمتر از ولتاژ آستانه به گیت اعمال شود، افزاره در حالت انسداد قرار می¬گیرد. این ولتاژ انسداد MOSFET با شکست بهمنی محدود می¬شود. با توجه به 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 توجه به 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¬شود.
همان¬طور که در شکل مشاهده می¬شود، این ناحیه به صورت سهمی¬وار است.

شکل (1-1)- مشخصه جریان-ولتاژ ترانزیستور MOSFET ]4[.

1-1-1) مشخصات کانال ترانزیستور MOSFET
برای بررسی مشخصات ناحیه¬ی کانال، به گیت ترانزیستور ولتاژی بیشتر از ولتاژ آستانه اعمال می¬شود تا کانال در آستانه¬ی وارونگی قرار ¬گیرد. این شرایط در شکل (1-2) نشان داده¬ شده ¬است. بار کانال در حالت وارونگی از رابطه¬ی زیر بدست می¬آید:
(1-1)
که در این رابطه، C¬ox خازن مربوط به اکسید گیت است و VT ولتاژ آستانه ترانزیستور می¬باشد. باید توجه شود که حامل¬ها در برقراری جریان در کانال وارونه، نقشی اساسی دارند. با بررسی مقاومت ناحیه¬ی کانال می¬توان رابطه¬ای را برای جریان بدست آورد. مقاومت ناحیه¬ی کانال در حالت وارونگی از رابطه زیر بدست می¬آید ]4[:
(1-2)
که در آن، L طول ناحیه کانال ترانزیستور می¬باشد و W، پهنای آن است. پارامترهایی که به هندسه افزاره مربوط می-شود 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¬شود. همچنین، در طول کانال (y)، بار Q(y) وجود دارد. 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 توجه به معادله (1-2) می¬توان نوشت:
(1-4)

که در این رابطه، Q(y) برابر است با:
(1-5)
در جزء دیفرانسیلی dR، افت ولتاژ از رابطه¬ی زیر بدست می-آید:
(1-6)

با جایگذاری معادلات (1-4) و (1-5) در معادله¬ی (1-6)، جریان به صورت رابطه¬ی زیر می¬شود:
(1-7)
که در آن، ولتاژ VD بین مرزهای 0=y و L=y از رابطه:
(1-8)

بدست می¬آید.
با انتگرال¬گیری از رابطه¬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) است. برای ولتاژهای درین پایین، جریان درین را می-توان به صورت زیر تقریب زد:
(1-10)
این رابطه برای ناحیه¬ی اهمی معتبر است. گذر از ناحیه¬ی سوراخ شدگی، با مشتق¬گیری از رابطه¬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 توجه به رابطه¬ی (1-12)، جریان IDsat مستقل از VD است. علّت فیزیکی این پدیده، نفوذ میدان الکتریکی به داخل ناحیه¬ی P می¬باشد. بنابراین، وقتی¬که ولتاژ درین به¬طور موثری افزایش یابد، طول کانال کوتاه¬تر می¬گردد . کوتاه شدن طول کانال موجب افزایش جریان در ولتاژهای بالا می¬شود.
چنانچه رابطه¬ی (1-9) با مشخصات افزاره¬های قدرت واقعی مقایسه شود، می¬توان دریافت که این رابطه نمی¬تواند رفتار واقعی افزاره¬های قدرت را توصیف کند ]5[. در این رابطه، ناحیه¬ی تخلیه¬ی ایجاد شده در زیر ناحیه کانال منظور نشده است. بنابراین چنانچه بار فضا در مشخصه¬ی جریان-ولتاژ لحاظ شود، رابطه¬ی زیر بدست می¬آید:
(1-13)

که در این رابطه، CD از رابطه¬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 میزان تزریق NA می¬باشد که به صورت زیر بیان می¬گردد :
(1-15)
لازم به ذکر است که مقدار VTΔ تقریباً برابر با 81/0 ولت است. بنابراین 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.
بنابراین با محاسبه¬ی مشخصه¬ی جریان –ولتاژ، می¬توان رفتار ترانزیستور را مورد ارزیابی قرار داد. با توجه به این که این رساله به بررسی ترانزیستورهای قدرت اثر میدان می¬پردازد، می¬بایست با توجه به کاربردهای افزاره¬های قدرت، تغییراتی را در ساختار ترانزیستورهای اثر میدان ایجاد کرد تا بتوان مشخصه¬ی مطلوب را بدست آورد. در ادامه¬ی فصل به این موضوع پرداخته شده است.

1-2) کاربردهای ادوات قدرت
ادوات قدرت با توجه به کاربردهایشان در طیف گسترده¬ای از سطوح مختلف قدرت مورد استفاده قرار می¬گیرند. با توجه به شکل (1-3)، کاربردهای ادوات قدرت در چند گروه تقسیم¬بندی می¬شوند. اولین گروه، کاربردهایی است 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 می¬بایست 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 است که حوزه¬ی عملکرد ولتاژ آن¬ها در مدارهای قدرت، نسبتاً کم است ¬(کمتر از 100 ولت). خودروهای الکترونیکی و منابع قدرت مورد استفاده در صفحه¬نمایش کامپیوترها و لپ¬تاپ¬ها، نمونه¬هایی از این گروه هستند. لازم به ذکر است، ساختارهای ترانزیستورهای اثر میدان قدرت سیلیسیمی به نحوی است 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 اشاره کرد. از آنجا که مقاومت حالت روشن¬ ترانزیستورهای اثرمیدان قدرت سیلیسیمی متداول بسیار بزرگ است، لذا نمی¬توان از آن¬ها در کاربردهایی که در بالا بیان شد استفاده کرد. در نتیجه می¬بایست از ترانزیستورهای دوقطبی با گیت جدا شده (IGBT) استفاده کرد ]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[. بنابراین برای کنترل این معایب، تکنولوژی SOI معرفی شده که در آن، لایه¬ای از اکسید مدفون در زیر ناحیه¬ی فعال ترانزیستور قرار گرفته -است ]21-29[. ساختارهای متعددی در تکنولوژی SOI ارائه شده که به بهبود مشخصات ترانزیستورها منجر گردیده است. در فصل¬های آینده به تعدادی از این ساختارها پرداخته می¬شود.
شکل (1-3)- محدوده¬ی کاربردهای ادوات قدرت.
1-3) انواع ترانزیستورهای قدرت
نمای کلی ترانزیستور MOSFET در شکل (1-4) نشان داده شده است. این ساختار، ولتاژ درین-سورس کوچکی را می¬تواند تحمّل کند. بنابراین، برای کاربردهای قدرت می¬بایست این ساختار را اصلاح نمود. در شکل (1-5)، ساختاری را با نام ترانزیستور اثر میدان نفوذی (DMOS) مشاهده می¬کنید که برای ولتاژهای 10 ولت و بالاتر کارایی دارد ]30-32[. در این ترانزیستور در مقابل درین ترانزیستور، ناحیه¬ای از نیمه هادی نوع n- ایجاد شده است که موجب انسداد ولتاژ می¬گردد. ترانزیستورهای DMOS افقی (LDMOS) در مدارات مجتمع قدرت مورد استفاده 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 است.
در سال 1985، ترانزیستور DMOS که به صورت عمودی شکل گرفته بود، ارائه شد ]34[. از میان تمامی ساختارهای موجود ترانزیستورهای قدرت، ساختار D-MOSFET اولین ترانزیستور قدرتی بود که به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفت. ساختار ترانزیستور D-MOS عمودی نوع n همان¬طور که در شکل (1-6) الف نشان داده شده است، با استفاده از اختلاف در گسترش افقی پیوندها در زیر الکترود گیت ایجاد می¬شود. این افزاره¬ها، ولتاژ مثبتی که به درین ترانزیستور اعمال می¬شود را متحمّل می¬شوند. همچنین، مقدار ولتاژ اعمال شده با میزان چگالی ناخالصی و ضخامت ناحیه¬ی رانشی نوع n، ارتباط دارد. لازم به ذکر است 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¬شود. این شرایط موجب کاهش کارایی ترانزیستور D-MOSFET به ولتاژهای کمتر از 200 ولت می¬شود.
ساختار دیگری که در کاربردهای قدرت استفاده می¬شود، ترانزیستور U-MOSFET است که به صورت تجاری در سال 1990 عرضه شد. همان¬طور که در شکل (1-6) ب مشاهده می¬شود، ساختار گیت این ترانزیستور به صورت جاسازی شده است ]35-37[. نحوه¬ی عملکرد این ساختار به طور گسترده در فصل¬های آتی بررسی شده است.

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.

بنابراین با توجه به کاربردهای ترانزیستورهای قدرت و انواع آن¬ها، می¬بایست مشخصات این دسته از افزاره¬ها را بهبود بخشید.
در فصل دوم این رساله، به بررسی ولتاژ شکست و مقاومت حالت روشن پرداخته شده است. ضمن بیان 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، بررسی شده است.
فصل سوم، به ارائه¬ی ساختارهای نوین ترانزیستور LDMOS که در تکنولوژی سیلیسیم روی عایق (SOI) شکل گرفته¬اند، می¬پردازد. در ساختار نوین اول، چاه اکسیدی در ناحیه¬ی رانشی ترانزیستور در نظر گرفته شده و یک ناحیه¬ی سیلیسیمی نوع P در این چاه، جاسازی شده است. 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 است. 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 نوین 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 است. اساس این مدلسازی بر حل معادله¬ی پواسون استوار است.
در فصل پنجم، اثر بدنه¬ی شناور که از مشکلات تکنولوژی SOI می¬باشد، بررسی شده¬است. برای حل این مشکل نیز ساختار جدیدی ارائه شده که هدف اصلی آن کنترل حفره¬هایی است که طی پدیده¬ی یونیزاسیون برخوردی در ناحیه¬ی کانال ترانزیستور، ایجاد شده¬اند. بنابراین، می¬توان با کاهش اثرات نامطلوب بدنه¬ی شناور، کارایی ترانزیستور LDMOS را بهبود بخشید.

تعداد صفحه :61

قیمت : 14700 تومان

***

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)        [email protected]

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.

***  **** ***