دانلود پایان نامه های دانشگاه ها

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.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.