Моделирование в электроэнергетике — Силовые полупроводниковые приборы

Силовые полупроводниковые приборы

Целью данного раздела приложения является предоставление основных сведений относительно полупроводниковых приборов, которые нашли применение в устройствах  FACTS. Большая часть изложенного ниже предназначена для инженеров энергосистем для понимания параметров и целесообразности применения полупроводниковых элементов в устройствах FACTS. О полупроводниковых приборах написано много книг, в которых можно найти более углубленную информацию.

Устройства FACTS представлены в диапазоне мощностей от десятков до сотен мегаватт.  В основном, устройства FACTS выполняется на базе системы преобразователей переменного тока в постоянный (и/или наоборот) и мощных коммутаторов переменного тока. В свою очередь, преобразователь выполняется на базе вентилей (с другим оборудованием), и каждый вентиль в свою очередь представляет собой силовые приборы с демпфирующими цепями и цепями управления включением и отключением. Аналогично, каждый коммутатор (ключ) переменного тока состоит из встречно включенных силовых приборов  с цепями демпфирования и управления. Номинальные параметры силовых приборов обычно лежат в диапазоне: 1-5 кА  и 5-10 кВ, однако реальное использование составляет от 25 до 50 % от их номинальных значений.  Это означает  что,  преобразователи и выключатели переменного тока состоят из большого количества силовых приборов. Преобразователи, выключатели переменного тока, и силовые приборы могут соединяться между собой последовательно или параллельно, в зависимости от мощности и назначения устройства FACTS; в некоторых случаях устройства FACTS  могут иметь однофазное исполнение. Изложенные соображения обеспечивают возможность проведения необходимых изменений на основе модульной конфигурации устройств, для эффективного использования силовых приборов в зависимости от заданных требований. Модульное исполнение устройств, используемое должным образом, приводит не только к уменьшению его стоимости из-за применения стандартных модулей и подмодулей, но также оказаться ценным качеством с точки зрения   надежности, избыточности и использования капиталовложений.

Свойства и характеристики приборов, и их эксплуатационные показатели существенно влияют на стоимость, исполнение, размер, вес, и величину потерь в устройствах FACTS, также как и в любых применениях силовых приборов. Таким образом, необходимо учитывать стоимость всех устройства, включая демпферные цепи,  цепи управления, трансформаторы и другое электромагнитное оборудование, фильтры, системы охлаждения, потери, исполнение и требования к техническому обслуживанию. Например, возможность быстрого переключения ведет к уменьшению компонентов демпферной цепи, снижению потерь в этих цепях, что, в свою очередь, обеспечивает меньшую генерацию гармоник и большее быстродействие устройств FACTS. Сказанное является особенно важным при использовании специальных устройств FACTS  в качестве активных фильтров.

В промышленных сетях малой мощности нашли применение разнообразные усовершенствованные схемы, которые внедрялись в основном из-за низкой себестоимости;  экономическая целесообразность применения аналогичных устройств в сетях большой мощности в значительной степени является функцией улучшения характеристик устройств. К этим усовершенствованиям относятся широтно-импульсная модуляция  (PWM), «мягкое» включение, резонансные преобразователи, прерыватели и другие. Отметим, что в конструкции FACTS обычно применяется устройства с наилучшими характеристиками, несмотря на их более высокую стоимость. Хотя стоимость является существенным фактором, было бы более корректно сказать, что применение устройств с наилучшими характеристиками  влияет на параметры FACTS и обеспечивает их конкурентоспособность, обеспечивая тем самым специфические технические возможности, которые получаются  по наименьшей возможной цене. Таким образом, стоимость, эксплуатационные качества, и рыночный успех устройств FACTS сильно зависит от развития полупроводниковых приборов и их технического исполнения. Фактически проектировщики устройств FACTS, могут выиграть очень многое  за счет обсуждения с поставщиками оборудования наивысших требований к характеристикам приборов, их технического исполнения и комплектующих, не допуская при этом применения устаревшей аппаратуры в конструкциях FACTS.  Для использования технологий FACTS важно наличие общей идеи относительно параметров полупроводниковых приборов, их технологии и будущей тенденции, а также принципиальные схемы, используемые в энергетике и промышленности.

Таким образом, силовые электронные приборы –  это быстродействующие устройства, выполненные  на базе однокристальной силиконовой пластины высокой чистоты, разработанные для различных коммутационных  операций. Приборы могут быть управляемыми как на включение так  и на выключение протекающего электрического тока,  посредством подачи импульсов на  управляющие электроды, называемые затворами. Некоторые полупроводниковые устройства разработаны без возможности запирания, т.е. блокирования протекания тока в обратном направлении, в этом случае данное свойство обеспечивается другим блокирующим прибором (диодом), включенным последовательно или встречно — параллельно.

В основном,  силовые полупроводниковые приборы  включают диоды, транзисторы и тиристоры. Условные обозначения основных устройств, относящихся к этим категориям, представлены на Рис.1. В последующих параграфах изложено краткое описание этих трех категорий и далее  несколько подробнее рассмотрены некоторые специальные устройства.

Диоды. Диоды — это группа двухслойных устройств с односторонней проводимостью. Направление проводимости в диодах имеет место от анода к катоду (в прямом направлении), когда анод имеет положительную полярность относительно катода.  В данных устройствах не предусмотрена возможность управления проводимостью в прямом направлении. Однако существует возможность запирания диода  в обратном  направлении, при положительной полярности напряжения катода относительно анода. Диод является важным элементом в нескольких устройствах  FACTS .

Транзисторы. Транзисторы —  это группа трехслойных устройств. Транзистор переходит в состояние проводимости в прямом направлении, когда на одном из его электродов, называемым коллектором, появляется положительное напряжение относительно другого электрода, называемого эмиттером, при условии подачи на третий электрод, называемым базой, включающего сигнала тока или напряжения.  В случае, если подаваемый на базу сигнал тока или напряжения меньше необходимого для полного включения устройства, в устройстве будет протекать ток до тех пор, пока будет приложено напряжение к аноду относительно катода. Транзисторы нашли широкое применение в системах малой и средней мощности. Один из транзисторов, известный как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT, раздел 11) был специально разработан для широкого применения в установках средней и большой мощности, от нескольких МВт до нескольких десятков МВт. Таким образом,  IGBT является достаточно важным элементом для устройств  FACTS. Метало-оксидный полевой транзисторMOS (MOSFET) является другим типом транзистора, который  используется только в системах низкого напряжения, но для которого характерна возможность очень быстрого  включения и выключения, а так же данный тип транзистора часто используется  как  усилительное  устройство затвора мощных тиристоров.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы: (a) диод, (b) транзистор, (c) интегрированный биполярный транзистор с затвором (IGBT ), (d) полевой транзистор MOS (MOSFET), (e) тиристор, (f) тиристор с возможностью управления моментом выключения (GTO)  и тиристор с управляемым затвором (GCT), (g) тиристор MOS с возможностью управления моментом выключения (MTO), (h) тиристор с управляемым эмиттером (ETO) , (i) управляемый тиристор MOS (MTO).

Тиристоры.  Тиристоры (раздел 6) — это семейство четырехслойных приборов. Тиристор переходит  в состояние полной проводимости в прямом направлении (отпирается), когда на одном из его электродов (аноде) появляется положительное напряжение относительно другого электрода (катода), при условии подачи на третий электрод, называемым затвором, включающего сигнала (импульса) тока или напряжения. Проводимость отпирания является необходимой для обеспечения низких потерь в проводящем состоянии, что будет объяснено в разделе 6. Конструкция некоторых тиристоров не предусматривает наличие затвора, управляющего выключением устройства,  в этом случае тиристор переходит из проводящего в непроводящее состояние только в случае, когда обеспечивается прохождение тока через нуль какими-либо другими средствами. В некоторых других тиристорах конструкцией предусмотрено наличие управляющих затворов обеспечивающих включение и выключение тиристора. Тиристор может быть разработан с возможностью запирания в прямом и обратном направлениях (симметричное устройство) или только в прямом направлении  (асимметричное устройство). Тиристоры являются наиболее важными приборами для устройств FACTS .

По сравнению с тиристорами, транзисторы имеют лучшие эксплуатационные характеристики, а именно более быстрое срабатывание и меньшие потери при коммутации.  С другой стороны, тиристоры характеризуются меньшей величиной потерь в проводящем состоянии  и более высокой допустимой величиной мощности, чем транзисторы.  Однако, непрерывно предпринимаются попытки разработать устройства с  улучшенными характеристиками, а именно с пониженными коммутационными и постоянными потерями при одновременном увеличения мощности приборов.

1.1. Основные типы  силовых тиристоров

Формально, термины «тиристор» и «кремниевый управляемый выпрямитель» относятся к основной группе управляемых четырехслойных полупроводниковых приборов, в которых включение и выключение зависит от взаимодействий  и положительной обратной связи в структуре p-n-p-n (более детально описано далее в разделе 6). Название «управляемый кремниевый выпрямитель» (SCR)  было предложено изобретателями и первыми производителями  компании Дженерал Электрик  (GE). В соответствии со свойствами прибора, в котором предусмотрена возможность включения, но не  выключения,  термин SCR позднее был заменен на термин «тиристор».  С появлением устройства с возможностью включения и выключения, названноготиристор с возможностью управления моментом выключения, названным GTO-тиристор, прибор с возможностью только включения стали называть  «обычным тиристором» или просто «тиристором».  Остальным приборам, относящимся к тиристорам  или SCR, были даны другие названия, согласно их аббревиатуре. В данной работе использование термина тиристор подразумевает обычный  тиристор.

Когда отпирающий импульс тока распространяется с затвора на катод, обеспечивается быстрый переход тиристора в состояние полной проводимости в прямом направлении с низким падение напряжения (от 1,5 до 3 В, в зависимости от типа тиристора и тока).  Как упоминалось выше, обычный тиристор не может уменьшать свой ток до нуля; напротив, моментуменьшения величины тока до нуля определяется свойствами внешней цепи. Когда ток цепи становиться равным нулю, тиристор в течение нескольких десятков микросекунд действия обратного запирающего напряжения восстанавливает свои изолирующие свойства, после чего  до следующего импульса включения тиристор находится в непроводящем состоянии.

 Из-за низкой стоимости, высокой эффективности, надежности, большого ресурса, возможности использования на большие токи и напряжения, обычные тиристоры повсеместно используются в случае, когда конфигурация цепи и ее технико-экономические требования позволяют использовать приборы без возможности управления моментом их выключения. Зачастую возможность управления моментом выключения не предоставляет каких-либо существенных преимуществ, а только лишь приводит к увеличению стоимости и потерь в приборах. Обычные тиристоры используются почти во всех проектах ППТ, а также  некоторых устройствах FACTS, но их наибольшее их процентное содержание  приходиться на промышленные установки. Их часто называют основным элементом энергетической электроники.

Существует несколько конструкций тиристоров с возможностью управления выключением; ниже приведены основные из них и используемые в технологии FACTS:

• Тиристор с возможностью управления моментом выключения (раздел 7), изобретенный в фирме Дженерал Электрик (GE), будем далее называть как GTO-тиристор или просто GTO. Подобно обычному тиристору, GTO переходит в полностью проводящее состояние в прямом направлении с низким падением напряжения, когда включающий импульс тока подается на его затвор относительно катода. Подобно обычному тиристору, GTO выключается, когда естественным образом ток становиться равным нулю, но в GTO предусмотрена также возможность управления моментом выключения посредствам подачи выключающего импульса на его затвор в обратном направлении.  При соответствующих параметрах импульса, GTO быстро выключается и быстро восстанавливает изолирующие свойства, сдерживающее прямое напряжение, таким образом, что прибор готов к следующему импульсу включения. Тиристоры  GTO  широко используются в устройствах FACTS; однако, из-за их мощных цепей формирования запирающих импульсов,  медленного выключения, дорогостоящих демпфирующих цепей, вероятно, что  через несколько лет они будут заменены усовершенствованными GTO и тиристорами. Эти усовершенствованные отключаемые приборы, которые в свою очередь относятся к классу тиристоров, имеют собственную аббревиатуру  и будут более детально описаны далее в этом разделе.
• Тиристор MOS с возможностью управления моментом выключения (MTO, раздел 8), изобретенный Харшадом Мехта (Harshad Mehta) в Корпорации высоковольтных кремниевых устройств (SPCO), выполненный на базе транзисторов для достижения быстрого выключения с маленькими коммутационными потерями. Коммерческое использование данного устройства началось недавно и имеет хороший потенциал для использования в промышленных установках средней и большой мощности, и устройствах FACTS.
• Тиристор с управляемым эмиттером (ETO, раздел 9), разработанный в Центре высоковольтной электроники в Вирджинии при сотрудничестве с SPCO, является другой разновидностью GTO, и состоит из последовательно включенных транзисторов низкого напряжения с высоковольтными GTO, для обеспечения необходимого быстрого выключения и низких коммутационных потерь.
• Интегрированный тиристор с коммутируемым затвором  (GCT и IGCT, раздел 10), разработан компаниями Мицубиси и  ABB, выполнен на базе GTO с  жестким выключением,который в комбинации с другими устройствами, достигает быстрого  выключения и низких коммутационных потерь отключения. Данный прибор также недавно было введено в эксплуатацию и имеет потенциал для широкого применения в промышленных системах и FACTS.
• Управляемый тиристор МОS (MCT, раздел 12), был изобретен Виктором Темпле, сотрудником GE, является основным  прибором, относящимся к тиристорам, которое выполнено на базе интегрированной МОS структуры с возможностью быстрого включения и выключения. Наряду с очень маленькими коммутационными потерями прибор также характеризуется низкими потерями проводимости. Данные приборы предназначены для применения в маломощных системах, но имеют хорошие перспективы для использования в FACTS.

В данном разделе, учитывая важность устройств FACTS,  кратко описаны такие полупроводниковые приборы как диод, транзистор, МОSFET, тиристор, GTO, MTO, ETO, IGCT, IGBTи MCT.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЩНЫХ ПРИБОРОВ И ТРЕБОВАНИЯ К  НИМ

2.1 Номинальные напряжение и ток

Основным элементом приборов большой мощности обычно является тонкая одно-кристаллических  кремниевая пластина диаметром 75-125 мм, а иногда и 150 мм в диаметре. Прибор на базе пластины одного и того же диаметра может выполняться на высокое напряжение и маленький ток, или наоборот.

Потенциально, кремниевый кристалл имеет очень высокую пробивную прочность 200 кВ/см, а величина его удельного сопротивления находиться между значениями характерными для металла и диэлектрика. Добавление примесей позволяет изменить характеристики проводимости элемента. С добавлением примесей, увеличивается число носителей зарядов, и в результате этого допустимое значения напряжения уменьшается, а величина тока увеличивается. Меньшее количество присадок обеспечивает более высокое допустимое напряжение, но способствуют увеличению потерь напряжения и уменьшению допустимого тока. В некоторой степени допустимый ток и напряжение являются взаимозаменяющими величинами, как упоминалось выше. Больший диаметр пластины, естественно, обеспечивает более высокий допустимый ток. Прибор диаметром 125 мм может иметь допустимый ток 3000-4000 А, а напряжение может изменяться в диапазоне 6000-10000 В.  Так как данный отчет посвящен другим вопросом, в нем не будут излагаться детальные объяснения, а будут отмечены лишь важные параметры различных приборов.

Использование приборов с более высокими номинальными параметрами позволяет уменьшить их суммарное количество и  количество других компонентов, что приводит к уменьшению себестоимости устройства в целом. Наибольшие значения обратного напряжения,  наряду с другими желательными характеристиками, обеспечивается следующими устройствами: тиристорами — 8-10 кВ, GTO —  5-8 кВ,  IGBT —  3-5 кВ.  После определения возможных перенапряжений и необходимых запасов, напряжение, на которое включается прибор, выбирается приблизительно равным половине обратного напряжения. Зачастую необходимо последовательное соединение приборов для создания  высоковольтных вентилей. Одинаковое распределение напряжения в момент включения, выключения, и динамические изменения напряжения являются главными показателями для проектировщиков вентилей при  выборе необходимого прибора из ряда приборов с различными характеристиками. Одним из таких показателей является соответствие приборов, особенно их коммутационных  характеристик.

Мощные силовые приборы могут быть разработаны на токи нагрузки порядка несколько тысяч ампер, таким образом, параллельное соединение приборов не является необходимым. Однако, так как часто ток режима короткого замыкания, определяет требуемую пропускную способность устройства, согласованное параллельное соединение двух  приборов на один и тот же  теплоотвод является хороший решением. Обычно требуется переход в запертое состояние после протекания тока замыкания в течение одного периода в контуре, в котором установлен прибор. В то время как в обычной практике в промышленной электронике используются  плавкие предохранители, их применение нежелательно в таких высоковольтных устройствах какFACTS. При выборе прибора необходимо учитывать все возможные неисправности и действия  защиты, для определения допустимого тока и напряжения, также как необходимых запасов (избыточности). Приборы, относящиеся к группе тиристоров, выдерживают кратковременную перегрузку по току  и большой ток замыкания в течение одного периода без каких-либо повреждений. В поврежденном состоянии тиристор или диод представляют собой короткозамкнутые элементы с малыми потерями напряжения, таким образом, остальная цепь может находиться в дальнейшей эксплуатации при выполнении  функций оставшимися устройствами.

В соответствии с рыночными требованиями, предъявляемым к преобразователям (которые подробно описаны в разделе П3: преобразователи, выполненные на базе источника напряжения), большинство устройств, выполняемых с возможностью управления моментом выключения, не обладают  возможностью запирания в обратном направлении. Данные устройства упоминались как асимметричные устройства с возможностью выключения, которые часто называют просто устройства с возможностью выключения. Устройства, в которых не предусмотрена возможность запирания обратного напряжения,  в техническом исполнении являются  менее массивными, имеют меньшие коммутационные и постоянные потери. И наоборот, более высокое допустимое напряжение в направлении проводимости  может быть получено при использовании асимметричных устройств.  Оказалось, что в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, требуется установка встречно-параллельно диода, подключенного к каждому основному прибору. В данном случае применяются специальные диоды с маленьким обратным током утечки для обеспечения  необходимых требований для включения  основных приборов.

Однако, в  преобразователях, которые будут подробно описаны в разделе П4, выполненных на базе источника тока, требуются приборы с возможностью запирания обратного напряжения. Однако, из-за большого объема асимметричных силовых установок и с учетом их себестоимости, в промышленных установках используют последовательное соединение диодов  с асимметричным главным прибором, для получения возможности запирания.

2.2 Коммутационные потери и скорость коммутации

Полупроводниковые приборы, кроме допустимого напряжения и тока, имеет и другие  характеристики. Наиболее важными среди них являются:

• Падение напряжение в прямом направлении и потери в состояние полной проводимости (постоянные потери). Т.к. потери вызывают нагрев кристаллических пластин, необходим быстрый отвод тепла от всего прибора, а  наличие системы охлаждения приводит к существенному удорожанию устройства.   
• Скорость коммутации. Переход из состояния полной проводимости в непроводящее состояние (выключение) сопровождается высоким значением  dv/dt  сразу после выключения, а переход из полностью непроводящего состояния к проводящему (включение) сопровождается высоким значением di/dt, данное отношение является так же важной величиной и при выключении. Значение величин di/dt и   dv/dt определяют размер, стоимость, и потери в демпфирующих цепях, которые необходимы, чтобы  уменьшать эти показатели,  возможность применения последовательного соединения приборов, а также   значения номинального тока и напряжения прибора.
• Коммутационные потери. При включении устройства  происходит увеличение тока в прямом направлении; в течение процесса выключения GTO-приборов наблюдается повышение прямого напряжения до момента уменьшения тока. Одновременное существование значительного напряжения и тока в приборе обусловливает потери мощности. Так как данные потери носят повторяющийся характер, они составляют существенную часть суммарных потерь и часто превосходят постоянные потери проводимости. В конструкции полупроводниковых приборов предусмотрена возможность компромиссного  изменения соотношения между коммутационными и постоянными потерями, это в свою очередь означает, что оптимизированная конструкция устройства является функцией топологии цепи, в которой оно установлено. Даже если номинальная частота сети составляет 50 или 60 Гц, как будет позже отмечено в разделах П3 и П4, преобразователи с «широтно-импульсной модуляцией  (PWM)» для применения в мощных силовых устройствах имеют высокую внутреннюю частоту порядка несколько сотен Гц, и даже несколько кГц. Многократная коммутация приводит к тому, что коммутационные потери могут стать преобладающими в суммарных потерях в PWM преобразователях.
• Мощность, необходимую для  затвора и количество потребляемой энергии определяют важную часть потерь и полную стоимость оборудования. При большом и длительном импульсе тока, необходимом для включения и выключения прибора, существенной являются не только величина этих потерь относительно суммарных, но и стоимость устройства формирования импульса и цепей питания может быть выше, чем стоимость самого прибора. Размер всех дополнительных компонентов силовой установки увеличивает ее паразитную индуктивность и емкость, которые в свою очередь вызывают ухудшение характеристик приборов, а именно время коммутации и потери в демпфирующих цепях.  Учитывая важную роль взаимодействия между прибором, контуром управления  и модулем в целом, в будущем основным направлением будет покупка у поставщика прибора и цепей управления как одного единого модуля.

Величине потерь необходимо уделять особое внимание по следующим двум причинам:

• Очевидно, что потери приводят к излишним затратам потребителя. В независимости от типа потребителя (промышленный или непромышленный), их потери неизменно определяются на основании оценки полной длительности работы, т.е. величина потерь может быть оценена от 1000$ до 5000$ за  кВт потерь для определения стоимости устройства.  Например, если 1 кВт устройства FACTS стоит 100$  и его потери составляют 2 % (т.е. для каждого 1 кВт потери составляют 0,02 кВт), таким образом, при соответствующей удельной стоимости потерь 2000$ за 1кВт, стоимости потерь будет равна 40$ за 1 кВт, т.е. непосредственно 40 % стоимости преобразователя. Поэтому коэффициент полезного действия для устройстваFACTS мощностью несколько сотен МВт должен быть больше, чем 98 %, и потери в вентилях преобразователя должны быть меньше чем 1 %.
• Так как потери вызывают нагрев устройства, необходимо его эффективное охлаждение, т.е. передачу тепла от  кристалла на наружную поверхность высоковольтного герметичного изоляционного устройства к внешнему хладагенту. По этой причине, обеспечение  необходимой конструкцию и охлаждения прибора является достаточно трудной задачей, т.к. необходимо гарантировать, чтобы температура кристаллов не превышала допустимый эксплуатационный уровень, который  составляет около .  Необходимо также гарантировать, чтобы прибор работал с безопасными коммутационными характеристиками и обладал достаточным запасом для перегрузки и токов замыкания. Зачастую, величина тока короткого замыкания определяет характеристики нормальной работы прибора. Большие потери в устройстве означают увеличение его стоимости, влияние на которую оказывают также тепловые потери при водяном или воздушном охлаждение, размер и вес установки в целом.

2.3 Компромиссные решения  при выборе параметров приборов

Стоимость приборов зависит от доли  качественной продукции в общем объеме произведенных приборов, которые затем разделяются на группы по разным параметрам. Это требует постоянного контроля качества продукции  на всех этапах производства приборов:  от исходного материала до готового изделия, включая необходимое качество электроснабжения на предприятии. Все силовые приборы для мощных устройств  FACTS проходят индивидуальное тестирование, так же как и приборы, используемые в преобразователях  ППТ, при этом ведется статистика и архивирование их результатов для будущего сервисного обслуживания.

Кроме компромиссных величин допустимых напряжений и токов, другими взаимосвязанными и допускающими компромиссный подход параметрами являются:

• Мощность, необходимая для затвора
• величина di/dt
• величина  dv/dt
• время включения и выключения
• включающая и   отключающая способность (так называемая область безопасной работы – SOA, Safety Operating Area)
• стабильность характеристик
• качество исходных кремниевых кристаллов
• экологическая безопасность при производстве приборов, и т.д.

Отметим, что разработка новых конструкций и методов непрерывно продолжается. Учитывая большой ассортимент,  изготовитель проводит анализ потребностей рынка и разделяет его на области применения того или иного прибора. Также  у изготовителей зачастую используются практика выпуска специальных устройств для индивидуальных больших заказчиков и проектов, таких как FACTS и ППТ.

Полупроводниковые приборы часто характеризуют скоростью коммутации, коммутационными потерями, размером и стоимостью демпфирующих цепей и связанными с ними потерями, что в значительной степени обусловлено продажей прибора отдельно от устройств и цепей управления и демпфирующих цепей. В ходе обсуждения изложенного в данном разделе материала станет ясно, что работа прибора связана с  цепями, управляющими затвором, демпферными цепочками и конструкцией шин для соединения отдельных модулей  в комплектный преобразователь, в соответствии с указанным порядком их очередности. Если приборы, цепи управления, демпфирующие цепочки, будут близко расположены от сборных шин, то есть если сборка и продажа оборудования будет осуществлена в виде единого блока, это позволит значительно уменьшить стоимость оборудования. Фактически электрическое и механическое объединение собственно полупроводниковой пластины и ее цепей управления, обеспечивает значительные преимущества применения. Для промышленных установок малой  и средней мощности, существует распространенная практика поставки нескольких собранных приборов в виде блока или модуля, которые составляют полную схему или ее часть. Данная практика позволяет уменьшить стоимости сборки, исключая необходимость обслуживания объединения нескольких элементов, начиная с кристаллического устройства и цепей управления. Именно с этим намерением, американское научно-исследовательское управление ВМС (ONR, Office of Naval Research) выработало программу для электронного оборудования, названную «Модульное построение силовых электронных устройств (PEBB)», посвященную всем аспектам взаимодействия, включая собственно прибор,  цепи  управления, сборку,  шины, что позволило уменьшить полную стоимость преобразовательной установки, потери, весовые показатели и размеры. Эта основное направление развития  привело к значительным успехам, которые повсеместно признаются. Поставка устройств осуществляется с заранее установленными  цепями управления  и демпфирующими цепями от различных производителей, необязательно со ссылкой на PEBB.

3. Материалы полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы выполняются на базе одно-кристаллических кремниевых пластин  высокой чистоты. Монокристаллы длиной несколько метров и требуемым диаметром (до 150 мм) выращиваются в так называемой зоне плавания в специальных печах. Затем этот огромный кристалл разрезается на тонкие пластины, которые используют в  силовых установках после многоступенчатого технологического процесса.

Чистые атомы кремния имею по четыре электрона для  связи с соседними атомами в узлах кристаллической решетки. Данных материал характеризуется высоким удельным сопротивлением (диэлектрик) и очень высокой электрической прочностью (более чем 200 кВ/см). Его удельное сопротивление и количество носителей заряда могут быть изменены, посредствам изменения в различных слоях  пластины путем введения определенных примесей (присадок). Применяя различные примеси, уровни и формы их добавления, наряду с применением высоких технологий  фотолитографии, лазерной резки, травления, изоляции и сборки,  выпускают мощные приборы с заданными характеристиками.

Добавляемые в пластины кристалла кремния примеси разделяют на доноры и акцепторы. Например, фосфор является донором, так как его атом имеет пять электронов, в то время как кремний четыре. При внедрении атома фосфора в кремний, он занимает место в узле кристаллической решетки с одним дополнительным электроном. Этот дополнительный электрон может быть легко смещен  электрическим полем.  Когда электрон смещается от  атома фосфора, это приводит к образованию на его месте положительно заряда (называемого дыркой), которое ожидает заполнения каким либо другим электроном, на месте которого в свою очередь также образуется дырка. Таким образом, при приложении электрического поля, начинается движение электронов и дырок в направлении проводимости. Фосфор называется  n примесью, т.к. данный элемент увеличивает число отрицательно заряженных частиц (электронов), участвующих в процессе проводимости. Когда добавление фосфора в кремний  незначительно, его обозначают как n^— примесь, а когда количество добавленного фосфора значительно, то, как n⁺ примесь.

Другой добавляемой примесью является бор, который выполняет функции  противоположные фосфору. Данный элемент имеет три электрона в атоме, таким образом, при внедрении атом бора в кремниевую кристаллическую решетку, образуется дырка, которая может быть заполнена движущимся электроном. В случае, когда место заполнено атомом бора, это приводит к образованию отрицательного заряда в этой точке кристаллической решетки, ожидающему нейтрализации дыркой из другой точки решетки, которая в свою очередь приобретает отрицательный заряд, таким образом, образуется возможность перемещения дырок. Добавку бора называют p примесью, т.к. он увеличивает количество положительных дырок, участвующих в процессе.   При небольшом добавлении р элемента в кремний используется обозначение p^—_,  при значительном — p⁺ .

Таким образом, перенос заряда при приложении электрического поля, обеспечивается свободными электронами в кремнии с n примесями, и дырками в кремнии с p примесями.

Дырки в  кремнии с p примесями называются основными носителями заряда, а электроны в этом случае называются неосновными носителями. В кремнии с n примесями, наоборот, электроны являются основными носителями, а дырки  — неосновными.

 В дополнение к носителям заряда, наличие которых обеспечено введенным примесями в материал прибора, существует так называемая внутренняя проводимость, которая обусловлена одинаковым количеством электронов и дырок, появляющихся под действием температурного возбуждения. Проводимость данного вида имеет место непрерывно, при этом происходит рекомбинация носителей заряда в соответствии с их временем жизни, таким образом, обеспечивается необходимое равновесие плотности носителей заряда порядка  в диапазоне от 0°С до 100°С.

Для достижения большой величины запирающего напряжения, требуется небольшое количество примесей (меньшее количество носителей заряда), что приводит к тому, что процесс переноса заряда в большей степени обусловлен внутренней проводимостью. Так как внутренняя проводимости являются функцией температуры, ее составляющая становиться существенной и даже основной при протекании больших токов.

 В качестве исходного материала для мощных высоковольтных полупроводниковых приборов используются кремниевые пластины, облученные нейтронами в реакторе. В зависимости от степени облучения, изменяется количество кремниевых атомов, преобразованных в атомы фосфора, таким образом, обеспечивается добавление n примеси в кремний, но с  низкой и однородной концентрацией, порядка , что сопоставимо с концентрацией внутренних носителей. При диффузии в высокотемпературных печах и других процессах, в тонкой пластине с низким уровнем n примесей происходят изменения за счет многократного добавления примесей слоями, каналами и т.д., что необходимо  для определенных устройств. Технологические процессы легирования являются предметом специальных дисциплин и  не рассматривается в отчете.

4.  ДИОД (р-n-переход)

Условное обозначение диода показано на Рис.2(а), а на Рис. 2(b) представлен  поперечный разрез его структуры, состоящей из нескольких слоев. Повсеместное использование диодов в устройствах FACTS объясняется их следующими свойствами:      

1. Диодный преобразователь может использоваться как простое, дешевое и эффективное устройство для  преобразования  активной мощности в установках FACTS.
2. Диод включается встречно – параллельно с каждым отключаемым тиристором  в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, а также для связи промежуточных уровней многоуровневых преобразователей напряжения (рассматриваемых в разделе П3).
3. Включение диода может осуществляться последовательно с каждым отключаемым тиристором для блокирования обратного напряжения (раздел П4).
4. Диоды могут использоваться в управляющих и демпфирующих цепях.

C уверенностью можно сказать, что почти половина приборов, используемых в устройствах FACTS,  являются диодами.

Диодом называется прибор с одиночным соединением p и n слоев кремниевой пластины (Рис.2 (b)).

 Слой р характеризуется дефицитом электронов (в качестве основных носителей заряда в этом случае выступают дырки), и, аналогично, в n слое наблюдается их избыток, и в этом слое электроны являются основными носителями. Как ранее упоминалось, эти p и n слои получены путем добавления примесей в кремниевый слой.  При приложении напряжения к диоду, которое обеспечивает отрицательную полярности р слое и положительную полярности n, происходит генерация носителей электрического заряда, которые участвуют в процессе проводимости, таким образом объясняется процесс  односторонней проводимости через рn переход (диод). Под действием внешней силы осуществляется движение дырок из p слоя в n слой через их  соединение и  электронов из р слоя в n. Однако, если к диоду приложить напряжение обратной полярности, то происходит движение дырок и электронов от поверхности соединения р и n слоев, таким образом, создается внутреннее встречное поле, которое препятствует протеканию тока. Более подробное объяснение принципа действия диода необходимо для лучшего понимания процессов, происходящих в устройствах, состоящих из нескольких рn переходов.

Движение электронов и дырок обусловлено двумя физическими процессами:

1. Диффузией, вызванной различной концентрацией носителей заряда
2. Упорядоченным движением, вызванным приложением внешнего напряжения

Без приложения внешнего напряжения, pn переход  обладает очень маленьким электрическим полем (меньше, чем 1 В). Создание этого поля обусловлено диффузией небольшого числа дырок из p слоя в n и электронов из n слоя в p. На границе раздела, с обоих ее сторон, формируется пространственный заряд, который создает электрическое поле, направление которого препятствует созданию вакантных мест для электронов  и дырок, участвующих в процессе диффузии. Это маленькое электрическое поле характеризуется положительной полярностью на рслое и  отрицательной на n слое. Когда анод имеет положительную полярность относительно катода, осуществляется движение электронов от n к p  и дырок от p к n слою.  Как только происходит преодоление барьера, созданного малым электрическим полем, обусловленным диффузией носителей с напряжением меньше чем 1В, в элементе осуществляется протекание большого тока, вызванного упорядоченным движением зарядов  под действием положительного задающего напряжения. Падение напряжения будет увеличиваться с увеличением тока, величина которого определяется сопротивлением кремния, и составляет примерно 1,5-3,0 В при номинальном токе.

В случае, когда катод приобретает положительную полярность относительно анода, происходит отток электронов от границы раздела в n слое, и дырок от границы в p слое. Таким образом, создается сильное электрическое поле около границы раздела слоев, которое характеризуется положительной полярностью на катоде и отрицательной на аноде, противодействующее внешнему полю, то есть, в диоде (идеальном) отсутствуют какие-либо механизмы переноса заряда.

Область формирования электрического поля на границе раздела слоев получила название, область обеднения (истощения).  При более высоком добавлении примесей, поле является более интенсивным и поэтому область обеднения (истощения) является более тонкой  и наоборот. В пределах области истощения, максимальное значение поля наблюдается в области соединения двух слоев. При увеличении обратного напряжения, область истощения будет увеличиваться, по существу, на стороне  n^—, и диод может пробиться, если обратное напряжение будет достаточно велико для увеличения обедненного слоя до полной ширины n^— области.

В состоянии проводимости, когда дырки пересекают границу раздела и входят в  n слой, они становятся неосновными носителями заряда. Точно так же, как и электроны, переходя из nв p область, становятся неосновными носителями. Таким образом, прибор является устройством, базирующемся на неосновных носителях заряда, поскольку носители заряда, обусловленные добавлением примесей,  преобладают в осуществлении проводимости.

В мощных диодах n-типа (Рис. 2 (c)), в слой p  вводиться большое количество примесей (p⁺),  что приводит к очень узкой обедненной области на  стороне p⁺, а в слой n около  границы раздела вводиться небольшое количество примесей (n^—), что приводит к широкой области обеднения на сторонt n^—. Когда к диоду прикладывается обратное напряжение (т.е. катод имеет положительную полярность относительно анода), на стороне n^— происходит большее расширение, чем на p стороне. Поэтому сторона n^— становиться более широкой и удерживает почти все обратное напряжение. Следовательно,  в слой n^— необходимо вводить небольшое количество примесей, так как внутренние носители заряда будут составлять значительную часть носителей n^— слоя. Увеличение толщины прибора выполнено с целью увеличения возможного обратного напряжения прибора в соответствии с расширенным обедненным слоем. Увеличение толщины, в свою очередь, увеличит сопротивление прибора  и постоянные потери проводимости. Слой n^—  называют областью проводимости, так как кроме фактического обедненного уровня, соответствующего приложенному обратному напряжению, процесс переноса заряда осуществляется с помощью диффузии, обусловленной тепловым движением, небольшого количества носителей через n^—  слой большой толщины. Почти все кремниевые диоды  разработаны с максимально возможной шириной n области.

В диодах большой мощности, также осуществляется добавление большого количества примесей в n слой (n⁺) на достаточном расстоянии от р-n перехода, к которому осуществляется подключение катода (Рис.2 (c)). Области p⁺ и n⁺ находящиеся по концам устройства, характеризуются большим количеством  примесных носителей заряда, для избежания расширения области обеднения при приложении обратного напряжения вплоть до металлического электрода. Другой важной функцией n⁺ слоя является то, что при достижении обедненного слоя границы  n⁺ слоя, напряженность вдоль n^— слоя будет выравниваться и , таким образом, возможно приложении более высокого напряжения. Данный процесс называется операцией перфорации, он позволяет для тех же значений обратного напряжения уменьшить толщину n^— слоя и, следовательно, уменьшить постоянные потери. Постоянные потери, также уменьшаются из-за возможности участия в процессе проводимости в прямом направлении носителей заряда из n⁺ слоя. Большое содержание примесей в n слое, находящемся рядом с анодным электродом, характерно и для ряда других устройства, описанных ниже.

Для диодов большой мощности, также как и для других энергетических кремниевых  силовых установок, края устройства специально обработаны (физически и путем добавления присадок) и изолированы, для предотвращения пробоев по краям. Это необходимо, так как уровень электрической прочности среды вблизи краев пластины намного ниже (порядка 1/10), чем  прочность полупроводниковых слоев прибора. В данном отчете не рассматриваются вопросы перехода от кремниевой  пластины к внешней среде (пассивация), так как они сами по себя являются достаточно сложными. Кожух устройства обеспечивает   герметичность и жесткость соединения кристаллических слоев и необходимую внешнюю изоляцию между анодом и катодом, а также хороший термический контакт между пластиной и внешней конструкцией прибора, для эффективного отвода тепла изнутри к внешней стороне. Обеспечение сборкиприбора, которая эффективно сочетает в себе  комбинацию электрических, тепловых и механических нагрузок, является главной проблемой для всех мощных электронных приборов.

Обычно, при практическом применении, когда ток в цепи становиться равным нулю, диодное напряжение скачкообразно принимает некоторое отрицательное значение. Данное изменение напряжения вызывает кратковременный (микросекунды или десятки микросекунд) ток в обратном направлении, что вызывает движение внутренних избыточных зарядов и восстановление обедненного слоя, соответствующему приложенному обратному напряжению. Этот обратный ток в диодах приводит  к увеличению тока, необходимого для включения отключаемых приборов в преобразователях, выполненных на базе источника  напряжения  (Раздел №7.1), что в свою очередь увеличивает потери включения этих приборов. Поэтому диоды, используемые в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, включаемые параллельно отключаемым приборам должны характеризоваться быстрой способностью отключения и маленьким накопленным зарядом. Для увеличения скорости срабатывания и уменьшения накопления заряда были разработаны усовершенствованные типы диодов с помощью специальной технологии добавления присадок. Улучшение характеристик  диодов с помощью уменьшения обратного тока в выключенном состоянии окажет существенное влияние на стоимость преобразователей, выполненных на базе источников напряжения.

Рис. 2. Диод: (a) условное обозначение, (b) и (c) структуры диодов.

5.  ТРАНЗИСТОР

Транзисторами называют группу трехслойных (с двумя p-n переходами) устройств. В данном разделе рассмотрены основные принципы работы транзисторов для лучшего понимания работы мощных устройств.

Эквивалентом транзистора является два встречно- включенных p-n диодных перехода. Существует два типа транзисторов:

1. Pnp транзистор (Рис.3 (a, b)), который соответствует двум последовательно включенным переходам рn (диод) и np (обращенный диод), таким образом, что образуется прибор, состоящий из двух p слоев и  n слоя между ними. Анод (эмиттер) –  p слой выполняется  широким, слой n (база) – узким, а катод (коллектор) – p слой – узким с большим количеством примесей.
2. Npn транзистор (Рис. 3 (c, d)), который соответствует двум расположенным друг над другом nр (обращенный диод) и рn (диод), таким образом, что образуется прибор, состоящий из двух n слоев и  р слоя между ними.

Рассмотрим принцип действия только npn транзистора, т.к. транзисторы большой мощности относятся именно к этому типу, один из внешних слоев n, выполненный с добавлением большого количества примесей (n⁺), называется эмиттером, другой n слой называется коллектором  и средний p слой называется базой. В случае, когда при включении внешнего задающего напряжения коллектор имеет положительную полярность относительно эмиттера, в устройстве отсутствуют  какие-либо электрические токи, так как происходит запирание прибора обедненным слоем, сформированным на границе np перехода на стороне коллектора. Это соединение сделано для возможности запирания высокого напряжения с низким добавлением примесей в p слое.  Таким образом, при возникновении другого небольшого внешнего напряжения, приложенного к базе (затвору), при ее положительной полярности относительно эмиттера, возникнет поток электронов от n⁺ эмиттера к базе p (ток от затвора к эмиттеру). При движении электронов от n⁺  эмиттера к базе, происходит также ускорение электронов электрическим полем обедненного слоя к коллектору; направления протекания токов через прибор показаны стрелками на Рис.3 (d).

Так как количество полученных электронов от n⁺ слоя является функцией тока базы, происходит ограничение (насыщение) электрического тока, значение которого определяется напряжением обедненного слоя. На Рис.4 показы характеристики проводимости устройства в прямом направлении, в виде зависимости тока устройства от напряжения при различных значениях тока базы. Ток базы определяет ток насыщения устройства. В нормальном режиме работы при больших токах базы, ток и падение напряжение в прямом направлении силовой установке будут ограничены  линией насыщения слева от кривых, таким образом, падение напряжения и, следовательно, потери будут маленькими. Но если ток базы ограничен,  часть падения напряжения будет приходиться на само устройство, и его ток будет ограничен линией насыщения для соответствующего тока базы. Эта особенность используется в преобразователях малой мощности для ограничения тока при внешней аварии, после чего осуществляется быстрое выключение прибора безопасным способом.

Необходимо отметить, что в силовых приборах пластина выполняется с большим числом параллельных элементов базы, пронизывающих верхний слой, и в действительности мощный транзистор может состоять из большого количества параллельно соединенных устройств небольшой мощности.

Из-за относительно низкого коэффициента усиления (отношения тока базы к току прибора), устройства выполняются с каскадным усилением, как показано на Рис.5. Такие транзисторы получили название транзисторы Дарлингтона.

Рис. 3. Транзистор: (а)условное обозначение, (p-n-p), (b)p-n-p структура, (c) условное обозначение(n-p-n), (d) n-p-n структура.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика транзистора для разных значений тока базы.

Рис. 5. Транзистор с каскадным усилением.

Существует много конструкций (типов) транзисторов. Транзистор, характеризующийся большой скоростью коммутации  и низкими коммутационными потерями получил название полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОSFET), в котором управление затвором осуществляется в большей степени электрическим полем (напряжением), чем током.  Это обеспечивается емкостной связью между затвором и прибором. На Рис.6 показана структура и эквивалентная схема данного типа транзистора. Транзисторы МОSFET нашли широкое применение в маломощных устройствах (несколько кВт) и не используются в установках большой мощности. Однако, они применяются совместно с усовершенствованными GTO, как будет объяснено в Разделах  №8 для MTO и Разделах №9 для  ETO; по этой причине данный параграф посвящен краткому описанию МОSFET.

МОSFET может быть выполнен на базе pnp или npn структуры, на Рис.6 показана только npn структура. Прибор выполнен с диэлектрическим слоем оксида кремния (SiO), который осуществляет соединение между металлическим контактом затвора, n⁺ и p переходами. Основным преимуществом затвора МОS является применения напряжения, вместо тока, относительно источника для полного или частичного запирания  устройства путем создания пространственного заряда вокруг небольшой зоны затвора. При приложении к затвору достаточного положительного напряжение относительно эмиттера, под действием этого электрического поля осуществляется движение электронов из n⁺ слоя в p. Таким образом, открывается ближайший к  затвору канал, который, в свою очередь, обеспечивает протекание тока от стока (коллектора) к источнику (эмиттеру).

На стороне стока в МОSFET вводиться большое количество добавок для создания n⁺ буфера ниже слоя проводимость дрейфа n^—. В соответствии с изложенным в Разделе №4, в диодах этот буфер сдерживает расширение  обедненного слоя для предотвращения его соприкосновения с электродом, выравнивает напряжение поперек  n^— слоя, а также способствует уменьшению падения напряжения в режиме проводимости. Наличие буферного слоя характеризует прибор как асимметричный с довольно низким обратным напряжением.

Для затвора транзистора МОSFET характерно маленькое потребление энергии, большая скорость коммутации и маленькие коммутационные потери.  К сожалению, МОSFET обладают высоким сопротивлением в режиме проводимости в прямом направлении, а следовательно, и высокими постоянными потерями, что делает невозможным их использование в силовых установках, но они нашли широкое применение в качестве усилительных устройств затворов.

Транзисторы МОSFET имеют вольтамперные характеристики,  аналогичные показанным на Рис.4; однако, ток базы заменен напряжением затвора.

Рис.6.  МОSFET: a -условное обозначение МОSFET, b- структура MOSFET.

6. ТИРИСТОР (без возможности управления моментом выключения)

Тиристором называется трехслойное устройства с тремя р-n переходами (Рис.7),  условное обозначение и структура которого показаны на Рис.7 (a) и Рис.7 (b). Тиристор – это коммутационный прибор, способный пропускать ток в одном направлении. Включенный  подачей отпирающего импульса, он переходит в проводящее состояние с весьма малым прямым падением напряжения  (от 1,5 до 3 В) при номинальном токе. В устройстве не предусмотрена возможность управления моментом отключения тока, таким образом, оно выключается только при естественном переходе через нуль тока, обусловленного процессами во внешней цепи.

Как ранее упоминалось, тиристор является незаменимым устройством в силовой электронике. Во многих случаях возможность управления моментом выключения не является необходимой. Обычные тиристоры имеют более высокие номинальные значения напряжения и тока, характеризуются более простой схемой управления, меньшими потерями; их стоимость составляет менее  половины по сравнению с приборами, выполненными с возможностью управления моментом выключения. Поэтому, решение в пользу более дорогого прибора с возможностью управления моментом выключения с  более высокими  потерями принимается на основании  решающих преимуществ,  что может иметь место именно для устройств  FACTS, что будет пояснено ниже.

Как показано на Рис.7 (с,d), тиристор эквивалентен объединению двух транзисторов типа  pnp и npn. При подаче положительного сигнала включения на p затвор верхнего npnтранзистора относительно n⁺ эмиттера (катод на Рис.7 (d)), прибор переходит в проводящее состояние. Ток через npn транзистор становится отпирающим фактором для затвора pnpтранзистора, как показано стрелками, способствуя и его переходу в проводящее состояние. В свою очередь ток через pnp транзистор, становится отпирающим фактором для затвора npnтранзистора, обеспечивает регенеративный эффект устойчивой проводимости с низким падением напряжения в прямом направлении при протекании электрического тока, по существу ограниченного внешней цепью. Важно отметить, что  когда тиристор переходит в  проводящее состояние, происходит насыщение внутренних p и n слоев  электронами и дырками, и работа устройства соответствует  короткозамкнутой цепи в прямом направлении. Таким образом, тиристор в целом ведет себя подобно устройству с одним pn с переходом (как диод).  Т.е. падение напряжения в режиме проводимости  в прямом направлении соответствует только одному переходу (при фактическом наличии трех), что  сравнимо с прибором с двумя  переходамиMOSFET и IGBT.

Из диаграммы очевидно, что  n база нижнего транзистора,  также может использоваться для включения, однако в этом случае требуется больший ток базы, поэтому в тиристорах в качестве затвора для включения  используется p база.

Рис. 7.  Тиристор: (a) условное обозначение тиристора, (b) структура тиристора, (c) двух –транзисторная структура , (d) эквивалентная схема тиристора.

При переходе тока через нуль (обусловленного внешней цепью), в центре области pn тиристора остается избыточное количество электронов и дырок, удаление или рекомбинация которых необходимы  для  восстановления его готовности блокирования напряжения, когда оно снова станет положительным.  В цепях, выполненных на базе тиристоров, удаление этого накопленного заряда осуществляется  незамедлительно после приложения отрицательного напряжения к прибору после перехода тока через нуль, в дополнение к более медленному процессу рекомбинации носителей заряда, обусловленного тепловым равновесием.  Таким образом, время выключения, которое может составлять от нескольких до нескольких десятков микросекунд, зависит от приложенного обратного напряжения после перехода тока через нуль, и должно тщательно учитываться в зависимости от  особенностей применения. Время выключения должно быть достаточным для последующего безопасного приложения положительного напряжения.

В случае большой пластины тиристора, затвор выполняется со структурой, распространяющейся по всей катодной поверхности, как показано на фото Рис.8.  Кроме того, для уменьшения необходимого импульса тока затвора применяются  несколько усилительных каскадов, выполненных в виде концентрических окружностей в центре. Это является существенным для быстрого распространения тока включения по всему прибору.  Это обеспечивается посредствам применения ряда различных структур затвора; одна из таких структур показана  на Рис.8.  Требуемая структура выполняется с помощью трафаретов, фотолитографии, травления, окисной изоляции, и т.д.,  начиная с обработки слоя с n^— примесьюоднокристаллической пластины.

Быстрое распространение тока при включении по всей пластине является важной характеристикой, особенно для того, чтобы гарантировать протекание больших аварийных токов  в течение небольших промежутков времени, также как и для уменьшения потерь проводимости.

Целесообразно ввести в цепь управления дополнительный высоковольтный внешний тиристор с очень маленьким  током, для того, чтобы  увеличить усиление  и уменьшить мощность, прикладываемую к  затвору силового тиристора. Такое устройство было бы недорогим из-за его маленького номинального тока.

Включение тиристора может быть также осуществлено при подаче в область затвора электромагнитной волны (света) с соответствующим спектром.

Тиристор с прямым световым включением, позволяет осуществлять включение тиристора независимо от схем управления через волоконный световод. В качестве альтернативы можно рассматривать  внешний управляемый тиристор (упомянутый выше), который может быть выполнен как тиристор с световым включением, осуществляющий включение основного тиристора, который является электрически включаемым.

Приложение положительного анодного  напряжения  с высоким значением нарастания напряжения   (du/dt) может также включить прибор. Это объясняется емкостной связью катода и затвора, а большое значение нарастания напряжения  dv/dt вызывает  протекание достаточного тока для включения  прибора. Этот вид включения тиристора является небезопасным, так как такое включение может происходить в «слабой точке» области проводимости и распространяться медленно, что может вызвать  повреждение прибора. Опасное включение может также произойти, если при слишком большом прикладываемом напряжении в направлении проводимости, таким образом, обеспечивается появление  носителей заряда в «слабой точке»посредствам ускорения внутренних носителей заряда.  Это также предполагает возможность преднамеренной разработки устройства со «слабой точкой», т.е. безопасное включение может быть предусмотрено конструкцией прибора. Такие устройства с системой самозащиты и избирательным включением были использованы в недавно выполненных проектах ППТ.

Другим важным аспектом является то, что при подаче импульса включения  между анодом и катодом должно иметься большое напряжение, или высокая скорость его нарастания, чтобы вызвать быстрое включение. Недостаточное напряжение способствует мягкому включению прибора с медленным уменьшением  падения напряжения на приборе при увеличении тока. Данный способ включения приводит к высоким коммутационным потерям  в некоторой области прибора и к его возможным повреждениям.  В зависимости от применения, прибор должен проектироваться для указанного минимального напряжения включения с блокированием импульса включения в случае приложения несоответствующего напряжения в прямом направлении.

При высоких температурах, тиристор имеет отрицательный температурный коэффициент. Это выполнено для того, чтобы гарантировать однородное внутреннее включение и выключение устройства. Тиристор является высоковольтным прибором  с большим количеством внутренних носителей заряда и носителей, обусловленных добавлением примесей. При увеличении температуры увеличивается число тепловых носителей, что приводит  к снижению падения напряжения  в прямом направлении.

При переходе тиристора во включенное состояние необходимо обеспечить минимальный ток от анода  к катоду для поддержания прибора во включенном состоянии. Этот минимальный ток обычно составляет несколько процентов от  номинального тока. В цепях управления предусмотрена возможность подачи повторного импульса включения, если это необходимо.

Отметим, что вообще тиристоры имеют большую перегрузочную способность. Они выдерживают двукратную перегрузку по току  в  течение нескольких секунд,  десятикратную в течение нескольких периодов, и 50-кратный ток короткого замыкания в течение одного периода.

Рис.8.  Тиристор с пластиной  диаметром 125 мм, с номинальными параметрами  5 кВ и 5000 A.  Затвор выполнен в виде спирали с дополнительным усилительным прибором в центре. Прибор имеет уникальную легкую многослойную кремниевую конструкцию (LSS) с соединительной инертной кремниевой пластиной. Импульс управления прикладывается к двум зажимам между затвором и катодом. (С разрешения корпорации энергетических кремниевых устройств SPCO.)

7. ТИРИСТОР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ВЫКЛЮЧЕНИЯ  (GATE TURN-OFF)

Тиристор с возможностью управления  моментом выключения  (GTO – от английского термина Gate Turn Off) в основном аналогичен обычному тиристору и по существу большинство аспектов, обсужденных выше в Разделе №6, относятся  также и к GTO. GTO-тиристор (Рис. 9) подобно обычному тиристору, является   включаемым прибором, но также обеспечивает и выключение. Материал, изложенный в данном разделе, относится к обычному GTO-тиристору, без последних дополнений, используемых в приборах под другими сокращенными обозначениями, которые рассмотрены ниже.

Эквивалентная схема GTO-тиристора, Рис.9 (c), аналогична эквивалентной схеме тиристора на Рис.7 (c) , за исключением того, что добавлена возможность выключения между затвором и катодом параллельно  затвору включения (что показано  только стрелками на эквивалентной схеме). При подаче большого импульса тока в направлении от катода к затвору, происходит перемещение значительного количество носители заряда от катода, то есть, от эмиттера верхнего pnp транзистора, и таким образом, npn транзистор  не будет принимать участия в процессе регенерации. Поскольку верхний транзистор переходит  в выключенное состояние, нижний транзистор остается с открытым затвором, таким образом, прибор возвращается в непроводящее состояние. Однако, необходимый ток затвора для реализации выключения является весьма большим.  Принимая во внимание, что импульс тока, необходимый для включения, может составлять 3-5 %, то есть, порядка  30 A, в течение 10 мксек для  устройства с номинальным током 1000А, в то время как ток,  необходимый для выключения устройства, составляет 30-50 %, то есть, 300А или больше в течение 20-50 мксек. Напряжение,  необходимое для управления большим импульсом тока, относительно невелико (приблизительно 10-20 В),  и поскольку длительность импульса составляет  20-50 мксек, энергия, необходимая для выключения прибора, является не очень большой величиной. Все же GTO  характеризуется достаточно большими потерями, поэтому экономическая целесообразность его применения обусловлена величиной потерь и  требуемым охлаждением, с учетом количества вентилей и их устройств выключения в преобразователе. Необходимая энергия для выключения GTO в 10 — 20 раз больше энергии, необходимой для включения, а  энергия для включения GTO в 10 — 20 раз больше энергии включения  тиристора. Стоимость и размер цепей выключения GTO сопоставимы со стоимостью самого прибора.

Другое соображение состоит в том, что процесс выключения должен осуществляться равномерно по всему прибору. Принимая во внимание, что тиристор имеет один катод с одиночной структурой затвора, которую распространяют по прибору, для успешного отключения  GTO требуется разделение катода на несколько тысяч участков (островков) с общей линией затвора, которая окружает весь катод и его участки (см. Рис. 10). Таким образом, GTO состоит из большого количества катодов тиристора с общим затвором, областью проводимости (дрейфовой областью), и анодом. Учитывая сложную структуру, современные GTO не имеет встроенных схем усиления. Следовательно, полная возможная для использования в качестве катода область уменьшилась примерно приблизительно на 50% по сравнению с тиристором. Поэтому падение напряжения GTO в прямом направлении приблизительно на 50 % больше, чем у тиристоров, но, однако, на 50% ниже, чем у транзистора (IGBT) такой же мощности. Технологический процесс производства GTO является аналогичным процессу производства тиристоров, хотя вследствие сложной структуры катода, необходимы  большие требования к чистоте производственных помещений, а стоимость GTO  может быть вдвое больше стоимости тиристора с аналогичными характеристиками. Что касается тиристоров конструкции GTO, в них осуществлен компромисс таких параметров как напряжение, ток, di/dt, du/dt, время коммутации, потери проводимости, коммутационные потери, и т.д.

GTO широко используются в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения,  в которых применено встречно-параллельное включение с каждым GTO-тиристоромдиодов, характеризующихся быстрым восстановлением,  что в свою очередь означает, что в GTO нет необходимости предусматривать возможность устойчивости к обратному напряжению. Что также обеспечивает оптимизацию других параметров, особенно падения напряжения и применения более высоких номинальных значений тока и напряжения. Оптимизация параметров достигается с помощью так называемого буферного слоя, т.е n⁺ слоя с большим количеством примесей на границе с n^— слоем. Такие GTO называются асимметричными.

Так же как и у тиристоров, непрерывный длительно допустимый эксплуатационный термический предел  pn перехода составляет 100°С, после принятия в расчет допущений относительно требований для протекания тока замыкания. Подобно тиристору, GTO способен  выдерживать кратковременную перегрузку по току (10-кратную в течение одного периода). Механизмы возникновения неисправностей аналогичны, поэтому необходима соответствующая форма краев пластин для уменьшения перенапряжений и пассивация, с целью избежанияперекрытий  вблизи граней.

В тиристорах, поскольку переход тока через нуль вызывается  внешней сетью, напряжение на приборе после этого автоматически и немедленно становится отрицательным.  Напротив, GTO  выключается в то время, когда к контуру все еще приложено напряжение в  прямом  направлении. Поэтому для успешного выключения необходимо уменьшить скорость нарастания прямого напряжения с помощью демпфирующих цепей.

В GTO, с анодной стороны pn^— перехода введено небольшое количество примесей с целью поддержания почти всего запирающего напряжения,  по существу, на n^— слое.  С другой стороны, в катодную часть pn перехода добавлено большое количество примесей с обеих сторон, для того, чтобы напряжение включения было приблизительно 20 В.

Рис.9. Тиристор с возможностью управления моментом выключения (GTO): a- условное обозначение GTO-тиристора, b- структура GTO-тиристора, c- эквивалентная схема GTO-тиристора.

Рис.10.  Пластина GTO-тиристора  диаметром 77 мм на номинальные параметры  4,5 кВ и 2000 A. Катодная структура состоит из большого числа  зубчатых островков, расположенных по окружности. Остальная поверхность является затвором.

7.1. Процессы включения и выключения

Кроме мощных цепей управления, GTO-тиристор характеризуются большими коммутационными потерями, что является важным при оценке процессов включения и выключения с учетом перенапряжений на приборе и потерь. На Рис.11 представлены упрощенные  характеристики процессов выключения и включения. Для включения устройства, между затвором и катодом подается импульс тока в течение 10 мксек, величина которого составляет около 5% тока нагрузки с большой скоростью нарастания, ограниченной в значительной степени индуктивностью контура затвор-катод. Однако, в цепи имеется задержка на несколько микросекунд прежде, чем анодно-катодный ток начинает возрастать, а напряжение понижаться.Величина производной тока ограничена параметрами цепи, так как для безопасного включения прибора требуется равномерное включение всех катодных островков. Также, учитывая топологию цепи преобразователей напряжения, выполненных на базе источника напряжения (раздел П3), включение GTO сопровождается выключением встречно — параллельного диода, подключенного к другому вентилю той же самой фазы. Следовательно,  GTO-тиристор включает ток главной цепи, а также пропускает большой обратный ток утечки  диода. В течение этого процесса происходит нарастание тока и медленное уменьшение  анодно-катодного напряжения в соответствии с распространением плазмы, до значения напряжения, соответствующеговключенному состоянию устройства.

После полного включения, необходимо поддерживать некоторый ток затвора приблизительно 0,5 % от номинала, чтобы исключить возможность его запирания; этот ток называется током величины удержания («заднее крыльцо»). Потери включения GTO являются результатом одновременного существования напряжения и тока, что усугубляется токовой перегрузкой обратным током диода, упомянутого выше.

Процесс выключения требует намного большего обратного импульса тока, значение которого составляет больше чем 30 % тока прибора, который переводит часть тока от катода к затвору. При приложении импульса выключения, наблюдается существенная временная задержка (называемая временем задержки), в катодной области, прежде чем ток начинает уменьшаться и происходит увеличение напряжения. Эта задержка приводит к существенному потреблению энергии цепями затвора. Уменьшение анодно-катодного тока сначала происходит быстро до некоторого небольшого  значения, а затем продолжает уменьшаться медленно, пока не произойдет рекомбинация носителей в pn области анодной части прибора. Потери, вызванные данным процессом, составляют значительную часть суммарных потерь выключения.

В течение выключения необходимо ограничивать скорость нарастания напряжения, чтобы гарантировать безопасность всех катодных островков.

Основным недостатком GTO по сравнению  с IGBT, описание которого будет представлено ниже, является большое потребление энергии на выключение.  GTO-тиристоры — приборы с большим временем выключения, более низким допустимым di/dt и du/dt, и поэтому, дорогостоящими цепями демпфирования включения и выключения, что в свою очередь увеличивает стоимость прибора и потери.  Из-за медленного выключения, прибор может быть использован в ШИМ-преобразователях с относительно низкой частотой (до нескольких сотен Гц) которой, однако, достаточно для мощных преобразователей. С другой стороны, GTO характеризуются более низким падением напряжения в прямом направлении и большими номинальными величинами, чем IGBT. GTO использовался в  устройствах FACTS мощностью несколько сотен MВт.

Большим преимуществом было бы, если бы прибор имел низкое падение напряжение во включенном состоянии (как у тиристора), так же как и малое потребление энергии на включение и быстрое выключение (как у IGBT). Фактически, на рынке существует ряд таких устройств, которые со временем могли бы заменить обычные GTO. Эти устройства, фактически, являются усовершенствованными GTO, которые совместили внедрение  концепции стандартного модульного оборудования (PEBB) и уменьшение потребления мощности цепями затворов, а также обеспечение быстрой коммутации. Основным является обеспечение быстрого выключения, которое по существу означает быструю передачу тока от катода к затвору верхнего транзистора. Эти требования были реализованы различными путями в усовершенствованных GTO-приборах. Последние включают MOS-тиристор с возможностью управления моментом выключения (MTO), в тиристоре с управляемым эмиттером (ETO), и в интегрированном тиристоре с управляемым затвором  (IGCT), краткое описание которого приведено ниже.

                                               а                                             b                                

Рис. 11. Процессы включения и выключения GTO-тиристора: a- включение и b- выключение.

8. MOS ТИРИСТОР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ВЫКЛЮЧЕНИЯ (MTO)

Компания SPCO разработала MTO-тиристор, который является комбинацией GTO и MOSFET, в данном тиристоре преодолены ограничения GTO относительно мощности затвора, демпфирующих цепей и ограничений  по du/dt. В отличие от IGBT (Раздел  №12), МОS структура не распространяется по полной поверхности прибора, а вместо этого элементарныеMOSFET расположены  вокруг GTO, чтобы устранить потребность GTO в больших импульсах тока выключения. По существу в устройстве сохранена структура GTO для использования ее преимуществ: большого напряжения (до 10кВ), большого тока (до 4000 A) и более низких потерь проводимости, чем в IGBT.  С помощью MOSFET и плотной сборки, удается минимизировать паразитные  индуктивности в цепи катод- затвор, MTO становятся существенно более эффективными, чем обычные GTO, т.к. в них требуется значительно меньшие мощности цепи управления, несмотря на уменьшение времени зарядки при выключении, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик и уменьшение системных затрат. Как и  прежде для GTO, необходимо двустороннее охлаждение, что позволяет выполнить технологическую сборку устройства более компактной для эффективного теплоотвода как от GTO.

На Рис.12 изображено условное обозначение, структурная и эквивалентная схемы MTO; на Рис.13 представлена его фотография. MTO представляет собой четырехслойное устройство с двумя затворами, один из которых управляет моментами включения, а другой выключения. У обоих затворов электроды непосредственно соединены с р слоями. Аналогично GTO,включение тиристора обеспечивается импульсом тока включения в течение 5-10мксек, который составляет 0,1 от номинального тока и последующим небольшим поддерживающим током. Импульс включения подается на верхний npn транзистор, который в свою очередь включает  нижний pnp, что приводит к устойчивому включению.

Выключение устройства выполняется посредствам приложения импульса напряжения приблизительно 15В к затворам  MOSFET, и, таким образом, е включенным транзисторам, чтозакорачивает контур между эмиттером и базой npn транзистора, что обеспечивает переход в  запертое состояние. В отличие от выше представленных рассуждений, выключение обычного GTO осуществляется переводом тока из контура  эмиттер — база верхнего npn транзистора большим импульсом отрицательной полярности, для предотвращения регенеративного процесса (проводимости). В  новом приборе одинаково важным является то, что его выключение  может быть произведено намного быстрее, (1-2 мксек вместо 20-30 мксек), и потери, связанные свременем зарядки будут почти устранены. Это также означает большое значение  du/dt,  меньшую емкость и устранение активного сопротивления демпфирующих цепей.

Малое время выключения также означает, что включение  в цепь MTO последовательно может осуществляться  без подбора характеристик приборов, так как фактически выключение всех приборов осуществляется одновременно, и каждый прибор пропускает свою долю тока. Так как MOSFET по существу включены параллельно катоду затвора GTO, то для быстрого выключения необходимы MOSFET с очень малым падением напряжения в прямом направлении. MOSFET являются маленькими, недорогими и производимыми в больших количествах приборами. Быстрое выключение MTO и других усовершенствованных типов GTO может по существу преодолеть недостатки GTO по сравнению с IGBT в отношении защиты от сверхтоков,  что будет показано в Разделе №11 на примере  IGBT.

Необходимо отметить, что продолжительная часть характеристики выключения, показанная в  конце процесса выключения  на Рис.11 является реальной и  характерной для применяемых в настоящее время приборов;  следующее включение прибора произойдет только после того, как остаточный заряд на стороне анода  рассеется  в результате процесса рекомбинации.  Это также применяется в других усовершенствованных тиристорных устройствах, описанных ниже,  кроме MCT. Однако, было бы более выгодно, если бы на анодной стороне имелся другой затвор, что позволило бы ускорить рассеяние заряда в анодной области. Такое устройство позволило бы значительно улучшить характеристики полупроводниковых приборов большой мощности. Данный подход был предложен SPCO, которая также предлагает монолитную конструкцию устройства,  в которой MOSFET- транзисторы внедрены в p слои GTO.

Рис.12. MOS-тиристор с возможностью управления моментом выключения (MTO) : a- условное обозначение MTO, b- структура MTO, c- эквивалентная схема MTO и d- уточненная эквивалентная схема MTO.

Рис.13. MOS-тиристор с управляемым затвором диаметром 50 мм (MTO ™), выполненный на номинальные характеристики 4,5кВ и 500 A. Полностью собранный прибор показан со снятой крышкой. Внутри прибора установлен  GTO- тиристор, такой же, как на рисунке П2.10, но окружности которого расположены низковольтные MOSFET транзисторы для затвора выключения. Это кольцо частично разрезано, чтобы показать MOSFET. Затвор включения — стандартный для GTO. (С разрешения Корпорации энергетических кремниевых устройств  (SРCO). MTO  —  это торговая марка SPCO.)

9. ЗАПИРАЕМЫЙ  ТИРИСТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ ЭМИТТЕРОМ (ETO)

Подобно MTO, ETO представляет собой другую эксплуатационную разновидность устройства, сочетающего в себе свойства тиристора и транзистора, то есть, GTO и MOSFET.  ETO был изобретен в Центре энергетической электроники в Виржинии при сотрудничестве с SPCO. Условное обозначение ETO и его эквивалентная схема представлены на Рис.14. Как показано на рисунке, MOSFET T1 (N) соединен последовательно c GTO, а  второй MOSFET T2 (P) соединен между этим MOSFET и затвором GTO. Фактически T1 состоит из нескольких N-MOSFET транзисторов, а T2  из несколько P- MOSFET, установленных вокруг GTO, с целью уменьшения индуктивности между транзисторами и катодным затвором GTO. N- и P-транзисторы и GTO являются устройствами массового производства.

Прибор ETO имеет два затвора: один затвор является затвором GTO и  используется для включения, а другой — затвором последовательного MOSFET и используется для выключения. Когда на N- MOSFET  транзистор подается выключающий сигнал напряжения, он выключается и передает весь ток от катода (n эмиттера верхнего npn транзистора GTO) к базе  через MOSFET T2, предотвращая, таким образом, регенеративное запирающее состояние и обеспечивая быстрое выключение. Важно заметить, что к MOSFET- транзисторам не прикладывается высокое напряжение, вне зависимости от того, насколько высоким является напряжение ETO. T2 соединен с его затвором, закороченным его стоком, и, следовательно,  напряжение на нем будет чуть выше, чем пороговое напряжение, и максимальное напряжение на T1 не может превышать напряжения T2.

        Преимущество последовательных MOSFET состоит в том, что передача тока от катода является полной и быстрой, обеспечивая тем самым одновременное выключение всех индивидуальных катодов. Недостатком последовательных MOSFET транзисторов является  то, что они должны пропускать полный ток GTO, что приводит к увеличению полного падения напряжения и соответствующих потерь. Однако, так как  эти MOSFET-транзисторы являются  низковольтными устройствами, добавочное падение напряжения невелико (примерно 0,3-0,5В), хотя им нельзя пренебрегать.

Таким образом, ETO это по существу GTO, который с помощью вспомогательных MOSFET увеличивает скорость коммутаций GTO и, соответственно, уменьшает потери, что приводит к значительному удешевлению  цепей управления затвором и демпфирующих цепей, что является большим недостатком  мощных высоковольтных  GTO.

Необходимо отметить, что продолжительная часть характеристики выключения, показанная в  конце процесса выключения  на Рис.11, является реальной и  характерной для применяемых в настоящее время приборов;  следующее включение прибора произойдет только после того, как остаточный заряд на стороне анода  рассеется  в результате процесса рекомбинации.

Рис.14.  Тиристор с управляемым эмиттером (ETO): а — условное обозначение ETO и b- эквивалентная схема ETO.

10. ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ТИРИСТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ ЗАТВОРОМ (GCT и IGCT)

Тиристор с управляемым затвором  (GCT) является  интенсивно коммутируемым GTO,  выключение которого осуществляется с помощью очень короткого и большого импульса тока, величина которого равна полному номинальному току, при этом осуществляется распространение всего тока от катода к затвору за 1 мсек, для обеспечения быстрого выключения. Структура и эквивалентная схема GCT является такой же, как и GTO, показанного на Рис.9. IGCT — это прибор с  дополнительными свойствам GCT, включая многослойную печатную цепь затвора, поставляемую в комплекте с основным прибором,  который  также может включать в себя обратный диод, структура IGCT  показана на Рис.15, а  фотография — на Рис.16.

Для того чтобы применять быстро растущий и большой ток затвора, в конструкции GCT (IGCT) предприняты  специальные меры для того, чтобы уменьшить индуктивность цепей затвора (контур, состоящий из  цепей управления затвором – затвора — катода) до минимального значения, что также требуется и для MTO и ETO. Основным существенным отличием GCT (IGCT) является быстродействие управляющих цепей затвора, что обеспечивается коаксиальной передачей тока на катодный затвор и многослойными цепями управления  затвором, которые дают возможность возрастать току затвора со скоростью  4 кА/мксек при  напряжении затвор — катод 20 В. За 1 мксек осуществляется полное включение верхнего транзистора GTO, а нижний pnp транзистор остается с открытой базой  выключения. Так как импульс тока является кратковременным, энергия  цепей управления затвора значительно уменьшена. Также,  дляизбежания  перерегулирования затвора, расход энергии цепей управления минимизирован. Потребление энергии  цепями затвора  уменьшено в 5 раз  по сравнению с обычным GTO.  Как и в обычном GTO,  MTO и ETO, буферный слой находится на анодной стороне n-слоя, который уменьшает обычные потери  проводимости и делает устройство асимметричным.

Анодный р-слой выполняется тонким с небольшим количеством примесей, что обеспечивает  более быстрое перемещение зарядов с анодной стороны  в процессе выключения. В структуру IGCT может также входить обратный диод, который представлен n⁺n^—p переходом, находящимся в правой части структурной схемы Рис.15. Как ранее упоминалось, обратный диод необходим в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения. Буферный n слой  выравнивает напряжение n^— слоя, толщина n^— слоя уменьшена на  40 %, для того чтобы обеспечивать  конструктивное введение диода с падением напряжением в прямом направление в режиме проводимости, сопоставимым с внешне подключенным диодом.  Естественно, объединение диодов означает соответствующее распределение кремниевой активной поверхности, которая в свою очередь уменьшает область для GTO на данной пластине.

Как следует из описания MTO, ETO и GCT, основные возможности GTO обусловлены  вытеснением тока между катодом и базой верхнего транзистора настолько быстро, насколько это возможно. Уменьшенная величина индуктивности  цепей затвора и катодного контура является свойством всех усовершенствованных типов GTO, описание которых приведено выше и также применяется в обычных GTO. Для всех них характерно  большое значение dv/dt, однородный и кратковременный ток выключения, что способствует увеличению отключаемого тока до максимально возможного. Это, в свою очередь приводит к уменьшению емкости демпфирующих цепей без резистора, что способствует более простому последовательному соединению GTO, и включению с низкими затратами энергии, такими же как и в обычном GTO. В соответствии с  изложенным в Разделе №2, эти приборы и MCT (описанный ниже)  по существу  представляют главное в  концепции стандартного модульного оборудования (PEBB). Объединение  цепей управления обеспечивает главное преимущество усовершенствованных GTO, которые заменят обычные GTO, по крайней мере при применении в таких устройствах, характеристики которых должны быть значительно улучшены, например, —  в устройствах  FACTS.

Такое усовершенствование идеологии GTO представляет собой основное достижение, основанное  на применении концепции PEBB, благодаря которой исключены паразитные индуктивности и емкости    цепей управления  и шинных соединений, которые имеют значительное влияние на величину полных потерь, демпфирующих цепей и всего вспомогательного оборудования.

Рис.15.  Структура IGCT  с управляемым затвором и обратным диодом.

Рис.16.  Интегрированный тиристор с управляемым затвором (IGCT), который состоит из тиристорного устройства с коммутируемым затвором (GCT)  и  цепей затвора с малой индуктивностью. На рисунке показаны также две подложки различной конструкции.  Нижняя  пластина является новой разработкой GTO, а верхняя подложка характерна для GTO с обратным диодом, который является частью устройства.

11. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (IGBT).

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) является современным энергетическим транзистором.  Он работает  как транзистор, и предназначен для эксплуатации при больших напряжениях и токах, а также характеризуется небольшим падением напряжения  в состоянии проводимости.

IGBT — это прибор, который отчасти является тиристором, но разработан таким образом, что он не переходит  в состояние полной проводимости  (что эквивалентно падению напряжения на одном переходе), вместо этого IGBT в отпертом состоянии работает как транзистор. Кроме этого, прибор имеет интегрированную МОS структуру с изолированным затвором, подобно МОSFET. Поперечный разрез его структуры и эквивалентная схема показаны на Рис.17. Подобно тиристорам и GTO, прибор имеет двух — транзисторную структуру. Но включение и выключение осуществляется структурой MOSFET через ее npn транзистор, вместо np эммитерного затвора верхнего npn транзистора. При включении осуществляется протекание тока через базу к  эмиттеру npn транзистора, как в тиристоре, однако его недостаточно для образования лавины, которая способствовало бы к переходу в состояние полной проводимости.  Как показано на Рис.17, соединение база – эмиттер шунтировано активным сопротивлением, которое встроено в структуру устройства. Через это сопротивление протекает часть катодного тока.

На представленной структуре прибора  верхний  n⁺  слой MOS является источником  n- носителей заряда, p-слой является базой, n^—-слой является дрейфовой областью, нижний p⁺ -буферный слой, и наконец p⁺ — слой является подложкой.  Подобно МОSFET, для включения прибора необходимо наличие положительной полярности затвора относительно эмиттера, тогда осуществляется движение n носителей заряда в p канал около области затвора, которые прямо смещаются к базе npn-транзистора, который таким образом включается. Включение IGBT осуществляется только приложением положительного напряжения к базе, т.е. при открытии канала для n носителей заряда, а выключение при снятии напряжения с базы, т.е для закрытияканала, что приводит  к очень простому контуру управления.  В принципе, это может быть достигнуто и в MTOS и ETOS, если бы МОSFET были также добавлены и для включения.

Учитывая комплексную технологию МОS  на полной поверхности устройства, IGBT  выполняются размером приблизительно 1 см².  Для создания  устройств большой мощности используется параллельное соединение нескольких  IGBT,  объединенных общим корпусом,  имеющих вид  одиночного устройства.  

Преимуществом IGBT является быстрое включение и выключение, так как оно аналогично прибору с основными носителями заряда (электронами).  Поэтому оно может использоваться в преобразователях широтно-импульсной модуляции (PWM), работающих на высокой частоте. С другой стороны, будучи транзисторным устройством,   IGBT характеризуется большим падением напряжения в прямом направлении по сравнению с приборами тиристорного типа, таких как GTO. Однако IGBT является основным прибором, используемым  в промышленных целях, и достиг необходимых параметров для применения в устройствах с  номинальной мощностью 10 МВт  или более.

 Транзисторные приборы, такие как MOSFET и IGBT, потенциально имеют возможность ограничивать  предельный ток путем управления напряжением затвора. В случае такоготокоограничения, потери в устройстве очень высоки, и  при использовании устройства в системах большой мощности токоограничивающее воздействие может осуществляться только в течение очень коротких периодов, т.е.  нескольких микросекунд. Однако, этого времени может быть достаточно для срабатывания других систем защиты для безопасного выключения устройств. Эта особенность чрезвычайно важна в преобразователях, выполненных на базе источников напряжения, в которых возрастание тока замыкания до больших значений осуществляется очень быстро из-за наличия мощного конденсатора постоянного тока в преобразователе. С другой стороны, при быстродействующем управлении, сочетающемся с возможностью быстрого выключения в усовершенствованных GTO, эффективное гашение тока может быть достигнуто в пределах 2-3 микросекунд. Этот метод также позволяет избежать в этих приборах мощного выделения энергии и в состоянии уменьшить его используемую мощность. Время выключения обычного GTO, как правило, слишком велико для быстродействующего защитного отключения. В сетях малой мощности устройства IGBT постепенно заменяет обычные GTO, по мере того, как параметры приборов, состоящих из параллельно соединенных IGBT, повышаются.  Это происходит потому, что обычные GTO имеют ряд серьезных недостатков, а именно большое энергопотребление цепей затвора, медленную коммутацию и высокие коммутационные потери. Развитие GTO в MTO, ETO и IGCT/GCT показало, что они являются результатом разрешения предыдущих не устраненных проблем, связанных с построением цепей затвора и паразитными индуктивностями  в контуре затвор — катод.

IGBT имеет ряд собственных ограничений, включая: большое падение напряжения в прямом направлении, сложности с обеспечением двустороннего охлаждения, свойствами множественных MOS, размещенных на пластинах, что ограничивает возможности  увеличения запираемого напряжения. Для производства IGBT необходимы  более чистые производственные помещения.

Главными преимуществами IGBT, используемыми в устройствах большой мощности, являются небольшие коммутационные потери, быстрая коммутация и возможностьтокоограничения. Однако, с усовершенствованными GTO и MCT (рассматриватся в следующем разделе), существует перспектива их использования в разнообразных устройствах  FACTS.

С другой стороны, будущий результат часто зависит от конъюнктуры рынка и объема продаж, что в свою очередь, способствует увеличению производства IGBT для систем большой мощности.

Рис.17. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT): a — условное обозначение IGBT, b —  эквивалентная схема IGBT и c- структура IGBT.

12. ТИРИСТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ МОS-СТРУКТУРОЙ   (MCT)

Управляемый МОS-структурой  тиристор (MCT) содержит структуры, аналогичные MOSFET, в обоих устройствах включения и выключения.

На Рис.18 показан MCT n-типа.  Эквивалентная схема для n-MCT,  предназначенная для включения, состоит из n-типа  МОSFET (обозначенного как n-FET), включенного вдоль катодной стороны npn транзистора, аналогично IGBT. Другой  р-тип МОSFET (обозначенный как p-FET) включен вдоль катода затвора с катодной стороны npn транзистора и предназначен для выключения, аналогично MTO.

Включение n-FET происходит при приложении положительного напряжения к затвору относительно катода, при этом осуществляется протекание тока от анода к базе нижнего npnтранзистора, который включается и приводит к устойчивому включению тиристора. Как показано, то же самое напряжение затвора подается на базу p-FET, который гарантирует, что p-FETне участвует в операциях.

Когда напряжение затвора станет отрицательным, произойдет выключение n-FET и включение р-FET. Таким образом, р-FET шунтирует катод затвора, обеспечивая запирание тиристора.

МОS  структура распространена по всей поверхности прибора, обеспечивая быстрое включение и выключение с маленькими коммутационными потерями. Мощность/энергия, требуемая для включения и  выключения прибора  мала, так же как и время запаздывания (время зарядки). Кроме того, так как прибор является запираемым, он характеризуется незначительным падением напряжения во включенном состоянии, так же как тиристор. Процесс его производства по существу такой же, как и IGBT.

Основное преимущество  MCT, по сравнению с другими запираемыми тиристорами, состоит в том, что в данном случае распределенные затворы МОS для включения и выключения расположены очень близко к распределенным катодам, что способствует  быстрой коммутации и небольшим коммутационным потерям в тиристорном приборе. Поэтому MCT представляет почти полностью выключаемый тиристор с небольшими коммутационными потерями и потерями проводимости, а также является быстрым коммутационным прибором, необходимым для мощных усовершенствованных преобразователей с возможностью использования в  активных фильтрах.

Рис.18.  Тиристор, управляемый МОS-структурой  (MCT): (a) условное обозначение MCT, (b) эквивалентная схема MCT и (c) структура MCT.

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.

Диод: выпрямительный; THT; 100В; 5А; Упаковка: Ammo Pack; Ø8×7,5мм

2021 ООО «Компания Радионикс»

красивое число: диодов

диод% 20300f техническое описание и примечания по применению

SAK-TC334LP-32F300F AA — Infineon Technologies

Температурные датчики

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ:

• Опишите различные методы измерения температуры.
• Обсудите различные устройства, предназначенные для работы при изменении температуры.
• Перечислите несколько приложений для устройств измерения температуры.
• Прочтите и нарисуйте символы NEMA для переключателей температуры.

Часто способность определять температуру очень высока. важность. Промышленный электрик столкнется с некоторыми устройствами, сконструированными менять набор контактов при изменении температуры и других устройств используется для определения количества температуры.Используемый метод зависит от большого иметь дело с областями применения схемы и величиной температуры, которая нужно почувствовать.

Расширение металла

Fgr. 1 Металл расширяется при нагревании.

Очень распространенный и надежный метод измерения температуры — это расширение металла. Давно известно, что металл при нагревании расширяется. Количество расширения пропорционально двум факторам:

1. Тип используемого металла.

2. Величина температуры.

Рассмотрим металлический стержень, показанный на рис. 1. Когда штанга нагревается, ее длина расширяется. Когда металлу дают остыть, он сжимается. Несмотря на то что количество движений из-за сжатия и расширения невелико, простой механический принцип может быть использован для увеличения количества движения (Fgr. 2).

Металлический стержень механически удерживается за один конец. Это позволяет количество расширения быть только в одном направлении.Когда металл нагревается и штанга расширяется, она прижимается к механическому рычагу. Небольшое движение штанги вызывает большое движение механической руки. Этот повышенное движение руки может использоваться для обозначения температуры полосу, прикрепив указатель и шкалу, или использовать переключатель, как показано. Следует понимать, что иллюстрации используются для передачи принципа. На практике переключатель, показанный на рис. 2 будет подпружинен к обеспечить «щелчок» для контактов.Электрические контакты никогда не должны открываться или закрываться медленно. Это приводит к плохому контакту давление и вызовет возгорание контактов или вызовет неустойчивую работу оборудования, которым они предназначены.

Реле горячего пуска

Fgr. 2 Раскладной металл управляет набором контактов.

Очень распространенное устройство, работающее по принципу расширения металла. набор контактов — реле запуска горячего провода, найденное в холодильнике промышленность.Реле горячего провода названо так потому, что в нем используется длина резистивной провод, подключенный последовательно к двигателю, для измерения тока двигателя. Диаграмма реле этого типа показано на рис. 3.

Fgr. 3 Подключение реле горячего провода.

Когда контакт термостата замыкается, ток может течь от линии L1 к клемму L реле. Затем ток течет через резистивный провод, подвижный рычаг, и нормально замкнутые контакты для запуска и запуска обмотки.Когда через резистивный провод течет ток, его температура увеличивается. Это повышение температуры приводит к расширению проволоки в длина. Когда длина увеличивается, подвижная рука опускается вниз. Это давление, направленное вниз, вызывает растяжение пружин обоих контактов. Реле сконструировано таким образом, что пусковой контакт размыкается первым, отключение пусковой обмотки двигателя от цепи. Если ток двигателя не является чрезмерным, провод никогда не станет достаточно горячим, чтобы вызвать перегрузку контакт, чтобы открыть.Однако если ток двигателя станет слишком большим, температура резистивного провода станет достаточно высокой, чтобы вызвать провод расширяться до такой степени, что это вызовет перегрузку контакта открыть и отсоединить обмотку двигателя от цепи.

Ртутный термометр

Еще одно очень полезное устройство, работающее по принципу сжатия и расширения металла, — это ртутный термометр. Ртуть — это металл, который остается в жидком состоянии при комнатной температуре.Если ртуть ограничена в стеклянной трубке, как показано на рис. 4, он будет подниматься вверх по трубе при расширении из-за повышения температуры. Если трубка откалибрована правильно, он обеспечивает точное измерение температуры.

Биметаллическая лента

Fgr. 4 Ртутный термометр работает путем расширения металла.

Fgr. 5 Биметаллическая полоса.

Fgr. 6 Биметаллическая полоса коробится при изменении температуры.

Биметаллическая полоса — это еще одно устройство, работающее за счет расширения металл. Вероятно, это наиболее распространенный датчик тепла, используемый в производстве. комнатных термостатов и термометров. Биметаллическая полоса изготавливается склеиванием два разных типа металла вместе (Fgr. 5). Поскольку эти два металла не похожи друг на друга, у них разная скорость расширения. Это вызывает полосу гнуться или коробиться при нагревании (рис. 6). Биметаллическую полосу часто формуют в спиралевидной формы, как показано на рис.7. Спираль позволяет использовать более длинный биметалл. полоса для использования в небольшом пространстве. Желательна длинная биметаллическая полоса, потому что он демонстрирует большее движение при изменении температуры.

Если один конец полосы удерживается механически и прикреплен указатель к центру спирали, изменение температуры вызовет указатель вращать. Если за указателем поместить калиброванную шкалу, она станет термометр. Если центр спирали удерживается на месте и контакт прикрепляется к концу биметаллической планки, он становится термостатом.А небольшой постоянный магнит используется для обеспечения мгновенного действия контактов (Fgr. 8). Когда подвижный контакт достигает точки, близкой к при неподвижном контакте магнит притягивает металлическую полосу и вызывает внезапное замыкание контактов. Когда биметаллическая полоса остывает, она отрывается от магнит. Когда сила биметаллической полосы станет достаточно большой, он преодолевает силу магнита, и контакты размыкаются.

Fgr. 7 Биметаллическая полоска, используемая в качестве термометра.

Fgr. 8 Биметаллическая полоса, используемая для управления набором контактов.

Fgr. 9 Термопара.

Термопары

В 1822 году немецкий ученый по имени Зеебек обнаружил, что когда два разных металлы соединяются на одном конце, и этот переход нагревается, напряжение составляет произведено (Fgr. 9). Это известно как эффект Зеебека. Устройство произведено путем соединения двух разнородных металлов с целью производства электроэнергии с теплом называется термопарой.Количество напряжения, производимого термопара определяется по:

1. Тип материалов, из которых изготовлена ​​термопара.

2. Разница температур двух спаев.

График в Fgr. 10 показаны распространенные типы термопар. Разные показаны металлы, используемые в конструкции термопар, а также их нормальные температурные диапазоны.

Fgr. 10 Таблица термопар.

Величина напряжения, создаваемого термопарой, мала, обычно в порядка милливольт (1 милливольт = 0.001 вольт). Полярность Напряжение некоторых термопар определяется температурой. Например., термопара типа «J» выдает нулевое напряжение при температуре около 32F. В температурах выше 32F, железная проволока положительна, а константановая проволока отрицательный. При температуре ниже 32 ° F железная проволока становится отрицательной, а константановая проволока становится положительной. При температуре + 300F Термопара типа «J» будет выдавать напряжение около +7,9 мил. вольт. При температуре -300F он будет производить напряжение около -7.9 милливольт.

Поскольку термопары вырабатывают такое низкое напряжение, их часто подключают последовательно, как показано на Fgr. 11. Это соединение называется термобатареей. Термопары и термобатареи обычно используются для определения температуры. измерения и иногда используются для обнаружения присутствия пилота свет в приборах, работающих на природном газе. Термопара обогревается контрольной лампой. Ток, создаваемый термопарой, равен используется для создания магнитного поля, которое удерживает газовый клапан открытым и позволяет газ подавать к основной горелке.Если контрольная лампа должна погаснуть, термопара перестает производить ток, и клапан закрывается (Fgr. 12).

Температурные датчики сопротивления

Температурный датчик сопротивления (RTD) изготовлен из платиновой проволоки. В сопротивление платины сильно меняется с температурой. Когда платина нагревается, его сопротивление увеличивается с очень предсказуемой скоростью; это делает RTD — идеальное устройство для очень точного измерения температуры.RTD используются для измерения температуры в диапазоне от -328 до +1166 градусов По Фаренгейту (от -200 до +630 C). РДТ выполнены в разных стилях для выполнения разные функции. Fgr. 13 показан типичный RTD, используемый в качестве пробника. Очень маленькая катушка платиновой проволоки заключена в медный наконечник.

Медь используется для обеспечения хорошего теплового контакта. Это позволяет зонд быть очень быстрым. График в Fgr. 14 показывает сопротивление в зависимости от температуры для типичного датчика RTD.Температура указывается в градусах Цельсия, а сопротивление — в омах. RTD в двух разных стилях корпуса: показано на Fgr. 15.

Fgr. 11 Термобатарея

Fgr. 12 Термопара обеспечивает питание предохранительного запорного клапана.

Термисторы

Термин термистор образован от слов «термический резистор». Термисторы фактически являются термочувствительными полупроводниковыми приборами. Есть два основных типы термисторов: один тип имеет отрицательный температурный коэффициент (NTC), а другой — положительный температурный коэффициент (PTC).Термистор с отрицательным температурным коэффициентом снизит сопротивление при повышении температуры. Термистор с положительной температурой коэффициент будет увеличивать свое сопротивление при повышении температуры. Термистор NTC является наиболее широко используемым.

Термисторы — устройства с высокой нелинейностью. По этой причине они трудны использовать для измерения температуры. Приборы, измеряющие температуру с термистор должен быть откалиброван для конкретного типа термистора. использовал.Если термистор когда-либо будет заменен, он должен быть точной заменой. или цепь больше не будет работать правильно. Из-за их нелинейной характеристики, термисторы часто используются как датчики уставки, а не к фактическому измерению температуры. Детектор уставки — это устройство, которое активирует какой-либо процесс или схему, когда температура достигает определенного уровень. Например, предположим, что внутри статора установлен термистор. обмотка двигателя. Если двигатель перегреется, обмотки могут быть серьезно повреждены или разрушены.Термистор можно использовать для определения температуры обмоток. Когда температура достигает в определенный момент значение сопротивления термистора меняется в достаточной степени чтобы вызвать выпадение катушки стартера и отсоединить двигатель от линия.

могут эксплуатироваться в диапазоне температур от +100 ° С до +100 ° С. Ф на +300 F.

Fgr. 13 Температурный датчик сопротивления.

===

градусов Цельсия, сопротивление (Ом)

0, 100 50, 119.39, 100 138,5, 150 157,32, 200 175,84, 250 194,08, 300 212,03, 350 229,69, 400 247,06, 450 264,16, 500 280,93, 550 297,44, 600 313,65

===

Fgr. 14 Температура и сопротивление для типичного RTD.

Fgr. 15 RTD в разных стилях корпуса.

Fgr. 16 Твердотельное пусковое реле.

Термисторы обычно используются в твердотельных пусковых реле. с небольшими холодильными компрессорами (Fgr.16). Используются пусковые реле с герметичными двигателями для отключения пусковых обмоток от цепь, когда двигатель достигает примерно 75% своей полной скорости. Термисторы могут использоваться для этого приложения, потому что они демонстрируют чрезвычайно быстрое изменение сопротивления при изменении температуры. Схематическая диаграмма подключение твердотельного реле показано на рис. 17.

При первом подаче питания на цепь термистор холодный и имеет относительно низкое сопротивление.

Это позволяет току течь через пусковую и рабочую обмотки мотор. Температура термистора увеличивается из-за тока протекает через него. Повышение температуры вызывает сопротивление измените значение с очень низкого значения 3 или 4 Ом до нескольких тысяч Ом. Этот увеличение сопротивления происходит очень внезапно и приводит к открытию набора контактов, включенных последовательно с пусковой обмоткой. Хотя начало обмотка никогда полностью не отключается от ЛЭП, количество тока через него очень мало, обычно 0.03 до 0,05 ампера, и не влияет на работу мотора. Эта небольшая утечка ток поддерживает температуру термистора и предотвращает его возвращение к низкому сопротивлению. После отключения питания от двигателя, необходимо подождать около 2 минут перед повторным запуском. мотор. Этот период охлаждения необходим для возврата термистора. к низкому значению сопротивления.

Соединение PN

Еще одно устройство, способное измерять температуру, — это PN-переход, или диод.Диод становится очень популярным прибором для измерения температуры. потому что он точный и линейный.

При использовании кремниевого диода в качестве датчика температуры постоянный ток проходит через диод.

Fgr. 18 иллюстрирует этот тип схемы. В этой схеме резистор R1 ограничивает ток, протекающий через транзистор и диод датчика. Значение R1 также определяет величину тока, протекающего через диод. Диод D1 — 5.Стабилитрон 1 вольт, используемый для создания постоянного падения напряжения между база и эмиттер PNP-транзистора. Резистор R2 ограничивает количество тока через стабилитрон и базу транзистора. D1 — обычный кремниевый диод. Используется как датчик температуры для схемы. Если к диоду подключен цифровой вольтметр, можно увидеть падение напряжения от 0,8 до 0 вольт. Количество напряжения падение определяется температурой диода.

Fgr. 17 Подключение твердотельного пускового реле.

Fgr. 18 Генератор постоянного тока.

Показана другая схема, которая может использоваться как генератор постоянного тока. в Fgr. 19. В этой схеме полевой транзистор (FET) используется для производят генератор тока. Резистор R1 определяет величину тока который будет протекать через диод. Диод D1 — датчик температуры.

Если диод подвергается более низкой температуре, скажем, прикоснувшись к нему кусок льда, падение напряжения на диоде увеличится.Если температура диода увеличивается, падение напряжения будет уменьшаться, потому что диод имеет отрицательный температурный коэффициент. По мере увеличения его температуры падение напряжения на нем становится меньше.

In Fgr. 20 два диода, соединенные последовательно, используются для построения электронный термостат. Два диода используются для увеличения количества напряжения. падение при изменении температуры. Полевой транзистор и резистор используются для обеспечения постоянного тока двух диодов, используемых в качестве источника тепла. датчик.Операционный усилитель используется для включения твердотельного реле. или выключается при изменении температуры. В показанном примере схема будет работают как термостат нагрева. Выход усилителя включится включается, когда температура достаточно снижается. Схема может быть преобразована к охлаждающему термостату, поменяв местами подключения инвертирующего и неинвертирующего входов усилителя.

Fgr. 19 Полевой транзистор, используемый для создания генератора постоянного тока.

Fgr. 20 Твердотельный термостат, использующий диоды в качестве тепловых датчиков.

Расширение из-за давления

Другой распространенный метод определения изменения температуры — повышение температуры. давления некоторых химикатов. Хладагенты в закрытом контейнере, например, повысит давление в баллоне при увеличении температуры. Если простой сильфон подключен к линии, содержащей хладагент (Fgr.21) сильфон будет расширяться по мере того, как давление внутри герметичной системы увеличивается. Когда температура окружающего воздуха понижается, давление внутри системы уменьшается, и сильфон сжимается. Когда температура воздуха увеличивается, давление увеличивается и сильфон расширяется. Если мех управляет набором контактов, становится термостатом сильфонного типа. Мех термостат и стандартные символы NEMA, используемые для обозначения температуры управляемый переключатель показан на рис.22.

Fgr. 21 Сильфон сжимается и расширяется при изменении давления хладагента.

Fgr. 22 Промышленное реле температуры.

Fgr. 23 Интеллектуальный преобразователь температуры в разрезе.

Интеллектуальные преобразователи температуры

Стандартные преобразователи температуры обычно посылают сигнал от 4 до 20 мА на указать температуру. Они откалиброваны для определенного диапазона температур. например, от 0 до 100 градусов.Стандартные передатчики предназначены для работы с одним типом датчика, таким как RTD, термопара и т. д. Любые изменения к настройке требуется повторная калибровка агрегата.

содержат внутренний микропроцессор и могут быть откалиброваны. из диспетчерской, послав сигнал на передатчик. Это также возможность проверить передатчик на наличие проблем из удаленного места. Вид интеллектуального преобразователя температуры в разрезе показан на рис.23. Передатчик, показанный на Fgr. 23 использует HART (Highway Addressable Remote Преобразователь) протокол. Этот передатчик может принимать RTD, дифференциальный RTD, входы термопары, сопротивления и милливольт. Умный датчик температуры с измерителем показано в Fgr. 24.

Fgr. 24 Интеллектуальный преобразователь температуры с измерителем.

ВИКТОРИНА :

1. Следует ли нагревать или охлаждать металлический стержень, чтобы он расширился?

2.Какой металл остается в жидком состоянии при комнатной температуре?

3. Как изготавливается биметаллическая лента?

4. Почему биметаллические ленты часто имеют спиралевидную форму?

5. Почему нельзя позволять электрическим контактам размыкаться или замыкаться медленно?

6. Какие два фактора определяют величину напряжения, создаваемого термопарой?

7. Что такое термобатарея?

8. Что обозначают буквы RTD?

9.Какой тип провода используется для изготовления RTD?

10. Из какого материала изготовлен термистор?

11. Почему трудно измерить температуру термистором?

12. Если температура NTC термистор увеличивается, его сопротивление увеличится или уменьшится?

13. Как сделать кремниевый диод для измерения температуры?

14. Предположим, что кремниевый диод используется в качестве датчика температуры.Если его температура увеличивается, будет ли его падение напряжения увеличиваться или уменьшаться?

15. Какой тип химического вещества используется, чтобы вызвать изменение давления в сильфонном типе термостат?

569-0212-300F — ДИАЛАЙТ | X-ON

ЦВЕТ СВЕТОДИОДА REV ECN NO REVISIONS DRN CKD APP DATE НОМЕР ЧАСТИ ПОЛОЖЕНИЕ 1 ПОЛОЖЕНИЕ 2 Соответствует RoHS 569-XX1X-X00F, двухуровневое сквозное отверстие CBI A NEW RELEASE TWC MES N.O. 12-14-05 ВНИМАНИЕ: Номера деталей с окончанием суффикса «F» соответствуют требованиям RoHS.ДОБАВЛЕН P / N 569-0111-000F; 569-0111-000F КРАСНЫЙ ОТТЕНОК ПУСТОЙ ОТРАЖЕННЫЙ B TWC MES N.O. 3-1-06 Например: 569-0112-700F СОБЛЮДАЙТЕ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ДЛЯ ОБНОВЛЕННОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ESD 569-0111-100F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТРАЖЕННЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ На упаковке имеется этикетка «Соответствует RoHS» или ОБРАЩЕНИЕ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ДОБАВЛЕН P / N’S 569-2211-100F, эквивалентная маркировка. Детали могут быть припаяны волной, пайкой погружением, 569-0111-200F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 569-2212-200F и 569-2213-300F; или ручной пайки с использованием типичного процесса бессвинцовой пайки с C KLJ ALV N.О. 6-8-09 ОБНОВЛЕННЫЕ ДОПУСКИ; ДОБАВЛЕННЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ 569-0111-300F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ макс 260 $ C темп. на 5 сек. 3, 4 и 5; ДОБАВЛЕННАЯ ДЛИНА ВОЛНЫ ДОМА. 569-0111-700F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ D ДОБАВЛЕН P / N 569-0111-300F AJF KLJ NO 9-22-10 569-0111-900F КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ 569-0112-000F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ПУСТОЙ ОТРАЖЕННЫЙ 569-0112-100F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТРАБОТАННЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ 569-0112-200F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ДИФФУЗИРОВАННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОЧНЫЙ 569-0112-300F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ 569-0112-700F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОК ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОК РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ 25 $ C 569-0113-100F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕИВАННЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОК СВЕТИЛЬНИК ВПЕРЕД ПЕРВЫЙ ОБРАТНЫЙ ОБЗОР ДОМИНАНТНЫХ ПИКОВ СВЕТИЛЬНИК ВПЕРЕД 569-0113-200F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕИВАННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОЧНЫЙ DIM DIM DIM DIM СВЕТОДИОД ЦВЕТ ИНТЕНСИВНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЕ ТОК ТОК ДЛИНА ВОЛНЫ ДЛИНА УГОЛ ИНТЕНСИВНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЯ / «А» «В» «Г» «B» 569-0113-300F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ (мкд) (В) (мА) (А) (нм) (нм) (ДЭГ) ТЕКУЩИЙ ТЕКУЩИЙ 569-0117-000F ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ПУСТОЙ ОТРАЖЕННЫЙ УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЯ УСЛОВИЯ МИН ТИП МАКС ТИП МАКС ТИП МАКС МАКС МИН ТИП МАКС ТИП ТИП 569-0117-700F ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОК ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОЧНЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ РАССЕИВАННЫЙ.150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 7,4 10 IF = 20 мА 2,0 2,8 100 623 635 60 569-0119-900F СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТРАЖЕННЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 4,7 12,6 IF = 20 мА 2,1 2,8 100 569 565 60 569-0211-100Ф КРАСНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC КРАСНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 7,4 10 IF = 20 мА 2,1 2,8 100 588 585 60 569-0211-300Ф КРАСНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТКРЫТЫЙ .150 .115 # .010.018 Кв. 0,040 IF = 10 мА 3,4 7,4 10,8 IF = 10 мА 1,9 2,4 100 597 60 2620600 60 СИНИЙ; БЕЛЫЙ ОТРАЖЕННЫЙ .156 .110 # .005 .020 КВ. 0,043 IF = 10 мА 7,1 12,5 18 IF = 10 мА 3,5 4,1 10 462 465 468 428 70 569-0212-200Ф ЗЕЛЕНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЗЕЛЕНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ; 2 мА LC .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 2 мА 1,0 1,6 IF = 2 мА 1,7 2,2 10 623 635 60 569-0212-300F ЗЕЛЕНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 2 мА 1,0 1,6 IF = 2 мА 1.9 2,2 10 569 565 60 569-0213-300F ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 2 мА 1,0 1,6 IF = 2 мА 1,8 2,7 10 588 585 60 569-0311-100F КРАСНЫЙ ДИФФ; 5V INT RES RED DIFF; 5В ВНУТРЕННЕЕ РЕЗ. КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАЗНООБРАЗНЫЙ; 5V INT RES .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 VF = 5V 8,7 29 VF = 5V 10 20100623635 60 569-0312-200Ф ЗЕЛЕНЫЙ ДИФФ; 5V INT RES GREEN DIFF; 5В ВНУТРЕННЕЕ РЕЗ. ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ДИФФ; 5V INT RES .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 VF = 5V 5,6 19 VF = 5V 10 20 100 569 565 60 569-0312-300F GREEN DIFF; 5V INT RES YELLOW DIFF; 5В ВНУТР. RES ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК DIFF; 5V INT RES.150 .118 # .010 .018 x .016 .040 VF = 5 В 3,7 12,6 VF = 5 В 10 20 100 588 585 60 569-0313-300F ЖЕЛТЫЙ ДИФФОРМ; 5V INT RES YELLOW DIFF; 5В ВНУТР. RES КРАСНЫЙ 2,5 4,7 2,0 2,8 100621 635 60 БИ-ЦВЕТ R / G, .150 .118 # .010 .020 Кв. 0,043 IF = 10 мА IF = 20 мА 569-0711-100Ф Р / Г БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗНОЦВЕТНОЙ R / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ ДИФФ БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ 3,7 10 2,1 2,8 100 569 565 60 569-0711-400F R / G БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗЛИЧНЫЙ Y / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ ДИФФ ЖЕЛТЫЙ 2,5 4,3 2,1 2,8 100 583 586 589585 80 Г / Г БИ-ЦВЕТ, .150 .118 # .010 .018 x .016.040 IF = 10 мА IF = 20 мА 569-0714-100F Y / G БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗНОЦВЕТНОЙ R / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ БЕЛЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ 2,5 6,3 2,1 2,8 100 569 565 80 569-0714-400F Y / G БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗЛИЧНЫЙ Y / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ ДИФФ КРАСНЫЙ ОКРАШЕННЫЙ НЕРАЗЛЕТНЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 8,7 29 IF = 20 мА 2,0 2,8 100 623 635 45 569-2211-100F КРАСНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАЗФИЛЬНЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАССЕПЛЕННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАСФИЛЬНЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10mA 32 50 IF = 20mA 2,1 2,8 100 569 565 45 ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЫЛЕННЫЙ.150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 10 30 50 IF = 20 мА 2,1 2,8 100 588 585 45 569-2212-200F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК БЕЗРАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАСФОРНЫЙ 569-2213-300F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК НЕРАССЕИВАНИЕ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК НЕРАСФ. АБСОЛЮТНЫЕ МАКСИМАЛЬНЫЕ РЕЙТИНГИ ПРИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ 25 $ C POWER CONT. ВПЕРЕД DC ПИК ВПЕРЕД ПИК ВПЕРЕД ОБРАТНАЯ ПАЙКА ЦВЕТ СВЕТОДИОДА ЛИНЕЙНОЕ ОПЕРАЦИОННОЕ ХРАНЕНИЕ .130 # .010 ТОК РАССЕИВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕ ТОК НАПРЯЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРА ТЕМПЕРАТУРА СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРА [3,3 # 0,25] (мВт) (мА) (В) (мА) (В) ДЛЯ 5 СЕК. РАЗМЕР «A» .580 #.010 [14,72 # 0,25] КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ПОЗ. 1 ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 60 20 80 0,25 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C КОРПУС ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 135 25 90 0,5 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C (ВАЛОКС) СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ 90 20 200 0,44 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ; 2 мА LC 20 7 500 0.7 мА / $ C ОТ 90 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC 20 7 500 0,7 мА / $ C ОТ 90 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C 3мм светодиод .350 # .010 ТИП ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC 20 7 500 0,7 мА / $ C ОТ 90 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C [8,88 # 0,25] .270 # .010 КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАЗНООБРАЗНЫЙ; 5V INT RES 7,5 0,086 В / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -40 $ C / + 85 $ C -55 $ C / + 100 $ C [6,87 # 0,25] ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ДИФФ; 5V INT RES 7,5 0,086 В / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -40 $ C / + 85 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК DIFF; 5V INT RES 7.5 0,086 В / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -40 $ C / + 85 $ C -55 $ C / + 100 $ C .090 # .010 [2,27 # 0,25] R / G ДВУХЦВЕТНЫЙ, БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЖЕЛТЫЙ 60 20 80 0,25 мА / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C Г / Г БИ-ЦВЕТ, ДИМ «В» БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C .145 ТИП 90 $ ТИП КРАСНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАЗФИЛЬНЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C [3,69] ТИП ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК БЕЗРАССЕИВНЫЙ 100 30120 0.4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ПИН 1 2 3 4 ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 60 20 80 0,25 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ПОЗ. 2 РАЗМЕР «C» # .004 .240 .100 ТИП [6,1] [2,55] ТИП РАЗМЕР «D» # .002 ТИП ПИН 1,3 PIN 2,4 .100 # .002 КАТОД [2,55 # 0,05] ТИП СХЕМА ОДНОЦВЕТНЫХ СВЕТОДИОДОВ НАСТОЯЩИЙ ЧЕРТЕЖ И ПРИСУТСТВУЮЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ЯВЛЯЕТСЯ КОНФИДЕНЦИАЛЬНЫМ. ПРИМЕЧАНИЯ ЕДИНСТВЕННАЯ СОБСТВЕННОСТЬ DIALIGHT. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЭТОГО ЧЕРТЕЖА ИЛИ СТРОИТЕЛЬСТВО ЛЮБЫХ ЧАСТЕЙ НА ЭТОМ ЧЕРТЕЖЕ ЯВЛЯЮТСЯ ЗАПРЕЩЕНО БЕЗ ПИСЬМЕННОГО СОГЛАСИЯ НА ДИАПЕТ.1. НОМЕР ДИАПАЗОНА ДИАПАЗОНА: 569-XX1X-X00F ПИН 1,3 PIN 2,4 МАСШТАБ: 5.000 REV КРАСНЫЙ КАТОД ДЛЯ НОМЕРА ЧЕРТЕЖА R / G ЗЕЛЕНЫЙ КАТОД 2. ДАННЫЙ УЗЕЛ СОДЕРЖИТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМУ РАЗРЯДУ. ЖЕЛТЫЙ КАТОД ДЛЯ Y / G ВСЕ РАЗМЕРЫ: ДЮЙМЫ (ММ) C-17339 D УСТРОЙСТВА (ESDS). СОБЛЮДАЙТЕ ВСЕ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ВО ВРЕМЯ ДОПУСКИ: СБОРКА, ОБРАЩЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ В СООТВЕТСТВИИ С 1PC-A-610. ЕСЛИ НЕ УКАЗАНО ИНОЕ ДВУХЦВЕТНАЯ СХЕМА СВЕТОДИОДОВ ФРАКЦИИ: # 1/64 НАЗВАНИЕ БИ-УРОВЕНЬ CBI РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТВЕРСТИЯ 3. ПОКАЗАННЫЕ РАЗМЕРЫ СВЕТОДИОДОВ ИЗМЕРЕНЫ НА ВЫХОДЕ ИЗ КОРПУСА.ДЕСЯТИЧНЫЕ ЧАСТИ (.XX): # .02 Соответствует RoHS ДЕСЯТИЧНЫЕ ЧАСТИ (.XXX): # .015 МАТЕРИАЛ 4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ ДЛЯ УСТАНОВКИ В ОТВЕРСТИЯ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ В СООТВЕТСТВИИ С УЗОРОМ. УГЛЫ: # 3 $ КОНЕЦ: 5. НОМЕРА ПИН-кодов ТОЛЬКО ДЛЯ СПРАВКИ, ОБОЗНАЧЕНИЕ НЕ СУЩЕСТВУЕТ НА ЧАСТИ. 1501 МАРШРУТ 34 ЮГ ФЕРМИНДЕЙЛ, Нью-Джерси 07727 FSCM 83330 ЛИСТ 1 ИЗ 1 СЕМЕЙНЫЙ ТАБЛИЦА: ЦВЕТ СВЕТОДИОДОВ REV ECN NO REVISIONS DRN CKD APP DATE НОМЕР ЧАСТИ ПОЛОЖЕНИЕ 1 ПОЛОЖЕНИЕ 2 Соответствует RoHS 569-XX1X-X00F, двухуровневое сквозное отверстие CBI A NEW RELEASE TWC MES N.O. 12-14-05 ВНИМАНИЕ: Номера деталей с окончанием суффикса «F» соответствуют требованиям RoHS.ДОБАВЛЕН P / N 569-0111-000F; 569-0111-000F КРАСНЫЙ ОТТЕНОК ПУСТОЙ ОТРАЖЕННЫЙ B TWC MES N.O. 3-1-06 Например: 569-0112-700F СОБЛЮДАЙТЕ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ДЛЯ ОБНОВЛЕННОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ESD 569-0111-100F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТРАЖЕННЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ На упаковке имеется этикетка «Соответствует RoHS» или ОБРАЩЕНИЕ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ДОБАВЛЕН P / N’S 569-2211-100F, эквивалентная маркировка. Детали могут быть припаяны волной, пайкой погружением, 569-0111-200F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 569-2212-200F и 569-2213-300F; или ручной пайки с использованием типичного процесса бессвинцовой пайки с C KLJ ALV N.О. 6-8-09 ОБНОВЛЕННЫЕ ДОПУСКИ; ДОБАВЛЕННЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ 569-0111-300F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ макс 260 $ C темп. на 5 сек. 3, 4 и 5; ДОБАВЛЕННАЯ ДЛИНА ВОЛНЫ ДОМА. 569-0111-700F КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ D ДОБАВЛЕН P / N 569-0111-300F AJF KLJ NO 9-22-10 569-0111-900F КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ 569-0112-000F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ПУСТОЙ ОТРАЖЕННЫЙ 569-0112-100F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТРАБОТАННЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ 569-0112-200F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ДИФФУЗИРОВАННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОЧНЫЙ 569-0112-300F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ 569-0112-700F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОК ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОК РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ 25 $ C 569-0113-100F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕИВАННЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОК СВЕТИЛЬНИК ВПЕРЕД ПЕРВЫЙ ОБРАТНЫЙ ОБЗОР ДОМИНАНТНЫХ ПИКОВ СВЕТИЛЬНИК ВПЕРЕД 569-0113-200F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕИВАННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОЧНЫЙ DIM DIM DIM DIM СВЕТОДИОД ЦВЕТ ИНТЕНСИВНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЕ ТОК ТОК ДЛИНА ВОЛНЫ ДЛИНА УГОЛ ИНТЕНСИВНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЯ / «А» «В» «Г» «B» 569-0113-300F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ (мкд) (В) (мА) (А) (нм) (нм) (ДЭГ) ТЕКУЩИЙ ТЕКУЩИЙ 569-0117-000F ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ПУСТОЙ ОТРАЖЕННЫЙ УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЯ УСЛОВИЯ МИН ТИП МАКС ТИП МАКС ТИП МАКС МАКС МИН ТИП МАКС ТИП ТИП 569-0117-700F ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОК ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТТЕНОЧНЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ РАССЕИВАННЫЙ.150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 7,4 10 IF = 20 мА 2,0 2,8 100 623 635 60 569-0119-900F СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ОТРАЖЕННЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 4,7 12,6 IF = 20 мА 2,1 2,8 100 569 565 60 569-0211-100Ф КРАСНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC КРАСНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 7,4 10 IF = 20 мА 2,1 2,8 100 588 585 60 569-0211-300Ф КРАСНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК ОТКРЫТЫЙ .150 .115 # .010.018 Кв. 0,040 IF = 10 мА 3,4 7,4 10,8 IF = 10 мА 1,9 2,4 100 597 60 2620600 60 СИНИЙ; БЕЛЫЙ ОТРАЖЕННЫЙ .156 .110 # .005 .020 КВ. 0,043 IF = 10 мА 7,1 12,5 18 IF = 10 мА 3,5 4,1 10 462 465 468 428 70 569-0212-200Ф ЗЕЛЕНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЗЕЛЕНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ; 2 мА LC .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 2 мА 1,0 1,6 IF = 2 мА 1,7 2,2 10 623 635 60 569-0212-300F ЗЕЛЕНЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 2 мА 1,0 1,6 IF = 2 мА 1.9 2,2 10 569 565 60 569-0213-300F ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC ЖЕЛТЫЙ РАССЕЯННЫЙ; 2 мА ЖК ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 2 мА 1,0 1,6 IF = 2 мА 1,8 2,7 10 588 585 60 569-0311-100F КРАСНЫЙ ДИФФ; 5V INT RES RED DIFF; 5В ВНУТР. RES КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАЗНООБРАЗНЫЙ; 5V INT RES .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 VF = 5V 8,7 29 VF = 5V 10 20100623635 60 569-0312-200Ф ЗЕЛЕНЫЙ ДИФФ; 5V INT RES GREEN DIFF; 5В ВНУТР. RES ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ДИФФ; 5V INT RES .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 VF = 5V 5,6 19 VF = 5V 10 20 100 569 565 60 569-0312-300F GREEN DIFF; 5V INT RES YELLOW DIFF; 5В ВНУТР. RES ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК DIFF; 5V INT RES.150 .118 # .010 .018 x .016 .040 VF = 5 В 3,7 12,6 VF = 5 В 10 20 100 588 585 60 569-0313-300F ЖЕЛТЫЙ ДИФФОРМ; 5V INT RES YELLOW DIFF; 5В ВНУТР. RES КРАСНЫЙ 2,5 4,7 2,0 2,8 100621 635 60 БИ-ЦВЕТ R / G, .150 .118 # .010 .020 Кв. 0,043 IF = 10 мА IF = 20 мА 569-0711-100Ф Р / Г БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗНОЦВЕТНОЙ R / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ ДИФФ БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ 3,7 10 2,1 2,8 100 569 565 60 569-0711-400F R / G БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗЛИЧНЫЙ Y / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ ДИФФ ЖЕЛТЫЙ 2,5 4,3 2,1 2,8 100 583 586 589585 80 Г / Г БИ-ЦВЕТ, .150 .118 # .010 .018 x .016.040 IF = 10 мА IF = 20 мА 569-0714-100F Y / G БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗНОЦВЕТНОЙ R / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ БЕЛЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ 2,5 6,3 2,1 2,8 100 569 565 80 569-0714-400F Y / G БИЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ РАЗЛИЧНЫЙ Y / G ДВУХЦВЕТНЫЙ; БЕЛЫЙ ДИФФ КРАСНЫЙ ОКРАШЕННЫЙ НЕРАЗЛЕТНЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 8,7 29 IF = 20 мА 2,0 2,8 100 623 635 45 569-2211-100F КРАСНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАЗФИЛЬНЫЙ КРАСНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАССЕПЛЕННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАСФИЛЬНЫЙ .150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10mA 32 50 IF = 20mA 2,1 2,8 100 569 565 45 ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЫЛЕННЫЙ.150 .118 # .010 .018 x .016 .040 IF = 10 мА 10 30 50 IF = 20 мА 2,1 2,8 100 588 585 45 569-2212-200F ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК БЕЗРАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАСФОРНЫЙ 569-2213-300F ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК НЕРАССЕИВАНИЕ ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК НЕРАСФ. АБСОЛЮТНЫЕ МАКСИМАЛЬНЫЕ РЕЙТИНГИ ПРИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ 25 $ C POWER CONT. ВПЕРЕД DC ПИК ВПЕРЕД ПИК ВПЕРЕД ОБРАТНАЯ ПАЙКА ЦВЕТ СВЕТОДИОДА ЛИНЕЙНОЕ ОПЕРАЦИОННОЕ ХРАНЕНИЕ .130 # .010 ТОК РАССЕИВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕ ТОК НАПРЯЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРА ТЕМПЕРАТУРА СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРА [3,3 # 0,25] (мВт) (мА) (В) (мА) (В) ДЛЯ 5 СЕК. РАЗМЕР «A» .580 #.010 [14,72 # 0,25] КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ПОЗ. 1 ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 60 20 80 0,25 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C КОРПУС ОРАНЖЕВЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 135 25 90 0,5 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C (ВАЛОКС) СИНИЙ; БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ 90 20 200 0,44 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C КРАСНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ ОТТЕНОЧНЫЙ; 2 мА LC 20 7 500 0.7 мА / $ C ОТ 90 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC 20 7 500 0,7 мА / $ C ОТ 90 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C 3мм светодиод .350 # .010 ТИП ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ; 2 мА LC 20 7 500 0,7 мА / $ C ОТ 90 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C [8,88 # 0,25] .270 # .010 КРАСНЫЙ ОТТЕНОК РАЗНООБРАЗНЫЙ; 5V INT RES 7,5 0,086 В / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -40 $ C / + 85 $ C -55 $ C / + 100 $ C [6,87 # 0,25] ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК ДИФФ; 5V INT RES 7,5 0,086 В / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -40 $ C / + 85 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК DIFF; 5V INT RES 7.5 0,086 В / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -40 $ C / + 85 $ C -55 $ C / + 100 $ C .090 # .010 [2,27 # 0,25] R / G ДВУХЦВЕТНЫЙ, БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ЖЕЛТЫЙ 60 20 80 0,25 мА / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C Г / Г БИ-ЦВЕТ, ДИМ «В» БЕЛЫЙ РАССЕЯННЫЙ ЗЕЛЕНЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5 260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C .145 ТИП 90 $ ТИП КРАСНЫЙ ОТТЕНОК НЕРАЗФИЛЬНЫЙ 100 30120 0,4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C [3,69] ТИП ЗЕЛЕНЫЙ ОТТЕНОК БЕЗРАССЕИВНЫЙ 100 30120 0.4 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ПИН 1 2 3 4 ЖЕЛТЫЙ ОТТЕНОК РАССЕЯННЫЙ 60 20 80 0,25 мА / $ C ОТ 50 $ C 5260 $ C -55 $ C / + 100 $ C -55 $ C / + 100 $ C ПОЗ. 2 РАЗМЕР «C» # .004 .240 .100 ТИП [6,1] [2,55] ТИП РАЗМЕР «D» # .002 ТИП ПИН 1,3 PIN 2,4 .100 # .002 КАТОД [2,55 # 0,05] ТИП СХЕМА ОДНОЦВЕТНЫХ СВЕТОДИОДОВ НАСТОЯЩИЙ ЧЕРТЕЖ И ПРИСУТСТВУЮЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ЯВЛЯЕТСЯ КОНФИДЕНЦИАЛЬНЫМ. ПРИМЕЧАНИЯ ЕДИНСТВЕННАЯ СОБСТВЕННОСТЬ DIALIGHT. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЭТОГО ЧЕРТЕЖА ИЛИ СТРОИТЕЛЬСТВО ЛЮБЫХ ЧАСТЕЙ НА ЭТОМ ЧЕРТЕЖЕ ЯВЛЯЮТСЯ ЗАПРЕЩЕНО БЕЗ ПИСЬМЕННОГО СОГЛАСИЯ НА ДИАПЕТ.1. НОМЕР ДИАПАЗОНА ДИАПАЗОНА: 569-XX1X-X00F ПИН 1,3 PIN 2,4 МАСШТАБ: 5.000 REV КРАСНЫЙ КАТОД ДЛЯ НОМЕРА ЧЕРТЕЖА R / G ЗЕЛЕНЫЙ КАТОД 2. ДАННЫЙ УЗЕЛ СОДЕРЖИТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМУ РАЗРЯДУ. ЖЕЛТЫЙ КАТОД ДЛЯ Y / G ВСЕ РАЗМЕРЫ: ДЮЙМЫ (ММ) C-17339 D УСТРОЙСТВА (ESDS). СОБЛЮДАЙТЕ ВСЕ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ВО ВРЕМЯ ДОПУСКИ: СБОРКА, ОБРАЩЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ В СООТВЕТСТВИИ С 1PC-A-610. ЕСЛИ НЕ УКАЗАНО ИНОЕ ДВУХЦВЕТНАЯ СХЕМА СВЕТОДИОДОВ ФРАКЦИИ: # 1/64 НАЗВАНИЕ БИ-УРОВЕНЬ CBI РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТВЕРСТИЯ 3. ПОКАЗАННЫЕ РАЗМЕРЫ СВЕТОДИОДОВ ИЗМЕРЕНЫ НА ВЫХОДЕ ИЗ КОРПУСА.ДЕСЯТИЧНЫЕ ЧАСТИ (.XX): # .02 Соответствует RoHS ДЕСЯТИЧНЫЕ ЧАСТИ (.XXX): # .015 МАТЕРИАЛ 4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ ДЛЯ УСТАНОВКИ В ОТВЕРСТИЯ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ В СООТВЕТСТВИИ С УЗОРОМ. УГЛЫ: # 3 $ КОНЕЦ: 5. НОМЕРА ПИН-кодов ТОЛЬКО ДЛЯ СПРАВКИ, ОБОЗНАЧЕНИЕ НЕ СУЩЕСТВУЕТ НА ЧАСТИ. 1501 МАРШРУТ 34 ЮГ ФЕРМИНДЕЙЛ, Нью-Джерси 07727 FSCM 83330 ЛИСТ 1 ИЗ 1 СЕМЕЙНАЯ ТАБЛИЦА:

Диодный мост на 1000 В, рейтинг Fast Heat Squar TOP11 1A Однонаправленное рассеивание

Высокотемпературная электроника Задачи проектирования и надежности

Введение

Многие отрасли промышленности нуждаются в электронике, способной надежно работать в суровых условиях, включая чрезвычайно высокие температуры.Традиционно инженерам приходилось полагаться на активное или пассивное охлаждение при разработке электроники, которая должна работать за пределами нормальных температурных диапазонов, но в некоторых приложениях охлаждение может быть невозможно — или может быть более привлекательным, чтобы электроника работала в горячем состоянии для повышения надежности системы. или снизить стоимость. Этот выбор создает проблемы, которые влияют на многие аспекты электронной системы, включая микросхему, упаковку, методологию квалификации и методы проектирования.

Применение при высоких температурах

Самым старым и в настоящее время крупнейшим пользователем высокотемпературной электроники (> 150 ° C) является скважина для нефтегазовой промышленности (рис. 1).В этом случае рабочая температура зависит от глубины залегания скважины. Во всем мире типичный геотермический градиент составляет 25 ° C / км глубины, но в некоторых районах он больше.

Управление многими ключевыми характеристиками устройства имеет решающее значение для успешной высокопроизводительной работы при повышенных температурах.Одна из наиболее важных и хорошо известных проблем возникает из-за повышенного тока утечки на подложку . Некоторые другие — это уменьшенная подвижность носителей , изменение параметров устройства, например V _T , β и V _SAT , увеличенная электромиграция металлических межсоединений и уменьшенная диэлектрическая прочность на пробой . ⁶ Несмотря на то, что стандартный кремний может работать намного дольше, чем это требуется военным требованиям в 125 ° C, утечка ⁷ в стандартных процессах кремния удваивается на каждые 10 ° C, что делает его неприемлемым для многих прецизионных приложений.

Изоляция канавок, кремний-на-изоляторе (SOI) и другие варианты стандартного кремниевого процесса значительно уменьшают утечку и обеспечивают высокую производительность при температуре значительно выше 200 ° C. На рисунке 5 показано, как биполярный процесс SOI уменьшает площадь утечки. Материалы с широкой запрещенной зоной, такие как карбид кремния (SiC), поднимают планку еще выше; ИС из карбида кремния в лабораторных условиях работали при температуре до 600 ° C. Однако SiC — это новая технологическая технология, и в настоящее время коммерчески доступны только простые устройства, такие как переключатели питания.

Инструментальный усилитель: Инструментальный усилитель требует высокой точности при проведении скважинного бурения для усиления очень слабых сигналов в обычно присутствующих шумных средах. Этот специальный тип усилителя обычно является первым компонентом измерительного интерфейса, поэтому его характеристики имеют решающее значение для работы всей сигнальной цепи.

Команда разработчиков Analog Devices с самого начала нацелила инструментальный усилитель AD8229 на работу при высоких температурах и спроектировала его для этой цели с нуля.Для удовлетворения уникальных требований к производительности был выбран запатентованный биполярный процесс SOI. Разработчики реализовали специальные схемы, чтобы гарантировать работу в широком диапазоне параметров устройства, таких как напряжение база-эмиттер и коэффициент усиления по прямому току.

Схема IC также критически влияет на производительность и надежность AD8229. Для поддержания низкого смещения и высокого CMRR во всем температурном диапазоне компоновка компенсирует колебания межсоединения и температурного коэффициента.Кроме того, тщательный анализ плотности тока в ключевых секциях смягчил влияние электромиграции, что способствовало повышению надежности в экстремальных условиях. Точно так же разработчики предусмотрели условия отказа, чтобы предотвратить преждевременный выход из строя.

Сочетание надежного процесса, схемотехники и методов компоновки позволяет устройству соответствовать самым строгим требованиям к точности и надежности при работе с температурой.

Рекомендации по упаковке

Когда в руки попадает высокотемпературный функциональный кремний, битва выиграна только наполовину.Упаковать кристалл, а затем прикрепить его к печатной плате — нетривиальная задача при высоких температурах. Многие факторы влияют на целостность упаковки при температуре (рис. 6).

Материал для прикрепления кристаллов прикрепляет силикон к корпусу или подложке. Многие материалы, проверенные для использования в стандартных диапазонах температур, имеют низкую температуру стеклования ( T _G ) и не подходят для работы при высоких температурах. Особое внимание необходимо уделить согласованию коэффициента теплового расширения (КТР) между штампом, креплением штампа и подложкой, чтобы штамп не подвергался напряжениям и не ломался в течение циклов с широким температурным диапазоном.Даже небольшая механическая нагрузка на матрицу может привести к смещению электрических параметров до неприемлемого уровня для прецизионных приложений. Для силовых устройств, для которых требуется тепловое и электрическое соединение с подложкой корпуса, могут потребоваться металлические материалы для крепления кристаллов.

Соединение проводов — это метод соединения кристалла со штырями путем прикрепления металлических проводов от рамки выводов к контактным площадкам на поверхности кристалла. При рассмотрении надежности соединения проволоки при повышенных температурах большое значение имеет совместимость металлов, используемых для металлизации проволоки и контактных площадок.Нарушения, связанные с плохой совместимостью связывающих металлов, двоякие: рост интерметаллического соединения (IMC) на границе раздела, который создает хрупкую связь; и диффузия (эффект Киркендалла), которая создает пустоты на границе раздела, ослабляя прочность связи и увеличивая ее сопротивление. К сожалению, одна из самых популярных комбинаций металлов в промышленности — металлизация золотой проволоки и алюминиевой контактной площадки — подвержена этим явлениям при повышенных температурах. На рис. 7, разрез связки Au / Al, показан рост IMC, который нарушает целостность связи после 500 часов при высокой температуре.

На рис. 8 показан значительный рост интерметаллидов Au / Al и пустоты Киркендалла после разрушения связи при высокой температуре. Что еще хуже, галогены, такие как бром и хлор, которые иногда встречаются в формовочных смесях, могут вызывать коррозию на границе раздела при повышенной температуре, ускоряя время до отказа (хотя, к счастью, промышленность переходит на «зеленое» безгалогенное литье. соединения). Таким образом, существует сильный стимул использовать один и тот же металл для соединительной проволоки и контактной площадки (монометаллическая связка ), чтобы избежать этих негативных эффектов.Если это невозможно, инженеры должны выбирать металлы с достаточно медленными темпами роста и диффузии IMC, чтобы они были надежными в течение требуемого срока службы.

Корпус IC также должен выдерживать нагрузки, вызываемые суровыми условиями окружающей среды.Пластиковые упаковки, хотя и являются отраслевым стандартом, исторически рассчитывались только на 150 ° C для длительного использования. В связи с недавним интересом к высокотемпературным приложениям, исследования показали, что этот рейтинг может достигать 175 ° C, но только на относительно короткие промежутки времени. В зависимости от конструкции корпуса 175 ° C — это точка, при которой некоторые материалы, такие как формовочная масса, превышают температуру стеклования. Эксплуатация выше T _G может вызвать значительные механические изменения ключевых параметров, таких как КТР и модуль упругости при изгибе, и привести к таким сбоям, как расслоение и растрескивание из-за повышенной термической деформации. ⁸

По этой причине герметичные керамические корпуса предпочтительны для высокотемпературных применений (рис. 10). Герметичное уплотнение обеспечивает барьер для проникновения влаги и загрязнений, вызывающих коррозию. К сожалению, герметичные упаковки обычно больше, тяжелее и значительно дороже своих пластиковых аналогов. В приложениях с менее экстремальными температурными требованиями (<175 ° C) пластиковые корпуса могут быть предпочтительнее для сохранения площади печатной платы, снижения стоимости или обеспечения лучшей устойчивости к вибрации.Для систем, требующих герметичной упаковки и с высокой плотностью компонентов, подходящим решением могут быть высокотемпературные многокристальные модули . Однако это решение требует наличия заведомо исправных игральных костей.

Самые популярные стандартные припои имеют температуру плавления ниже 200 ° C. Однако есть некоторые легкодоступные сплавы, которые подпадают под категорию «высокой температуры плавления» (HMP) с температурами плавления значительно выше 250 ° C. Даже в таких случаях максимальная рекомендуемая рабочая температура для любого припоя, подверженного нагрузкам, составляет примерно на 40 ° C ниже его точки плавления . Например, стандартный состав припоя HMP из 5% олова, 93,5% свинца и 1,5% серебра имеет температуру плавления 294 ° C, но рекомендуется для использования только при температуре примерно 255 ° C. ⁹ Обратите внимание, что в корпусах корпусов BGA (шариковая сетка) прикреплены шарики припоя, которые могут не иметь высокой температуры плавления.

Наконец, сама плата является потенциальным источником отказа. Стандартный FR4 достигает стеклования от 130 ° C до 180 ° C, в зависимости от конкретного состава. При использовании выше этой температуры — даже в течение короткого времени — он может расширяться и расслаиваться. Хорошей проверенной альтернативой является полиимид , тот же материал, который используется в каптоне, температура которого T _G достигает 250 ° C, в зависимости от состава.Однако полиимид страдает очень высоким влагопоглощением, что может быстро привести к выходу печатной платы из строя по разным причинам, поэтому важно контролировать воздействие влаги. В последние годы промышленность представила экзотические ламинаты, которые впитывают меньше влаги и сохраняют целостность при высоких температурах.

Проверка, квалификация и испытания

Проверка высокотемпературных компонентов в лаборатории — нетривиальная задача, поскольку она требует от инженеров внедрения всех ранее упомянутых методов для проверки производительности при экстремальных температурах.В дополнение к использованию специальных материалов в конструкции испытательного стенда инженеры-испытатели должны тщательно управлять климатическими камерами, позволяя системе адаптироваться к требуемым изменениям температуры. Из-за несоответствия коэффициентов расширения быстрые изменения температуры могут привести к повреждению паяных соединений на печатной плате, короблению и, в конечном итоге, к преждевременному отказу системы. В промышленности действуют правила, согласно которым скорость изменения температуры должна быть ниже 3 ° C в минуту.

Для ускорения проверки срока службы и надежности принято, что электронные компоненты проводят испытания при повышенной температуре.Это вводит коэффициент ускорения α, определяемый уравнением Аррениуса:

, где E _a — энергия активации, k — постоянная Больцмана, T _a — ожидаемая рабочая температура во время использования и T _s — температура напряжения. Хотя ускоренное старение хорошо работает для стандартных продуктов, повышение температуры напряжения значительно выше номинальной может привести к появлению новых механизмов разрушения и получению неточных результатов.Поэтому, чтобы гарантировать долговечность высокотемпературных устройств, таких как AD8229, тест на срок службы при высоких температурах (HTOL) был проведен при максимальной номинальной температуре 210 ° C в течение 1000 часов (примерно шесть недель). Для более низких температур ожидаемый срок службы можно спрогнозировать, используя соотношение ускорения, показанное на рисунке 11.

Существуют дополнительные препятствия для надежного определения характеристик высокотемпературных ИС.Например, используемая система тестирования и измерения надежна настолько, насколько надежно ее самое слабое звено. Это означает, что каждый элемент, подвергающийся воздействию повышенных температур в течение длительного периода, должен быть по своей сути более надежным, чем сама ИС. Ненадежная система предоставит данные, которые не отражают долгосрочную надежность компонента, и приведет к дорогостоящим и длительным повторениям процесса. Статистические методы для увеличения вероятности успеха включают точное увеличение на тестового образца, чтобы добавить погрешность для преждевременных отказов системы, не вызванных отказом DUT (тестируемого устройства).

Еще одно препятствие связано с этапами производства, необходимыми для обеспечения экстремальных параметров производительности, таких как испытание, зондирование и подгонка. Команде разработчиков необходимо настроить эти шаги для высокотемпературных продуктов.

Рекомендации по проектированию высокотемпературных систем

Разработчик схем, работающих при высоких температурах, должен учитывать изменения параметров ИС и пассивных компонентов в широком диапазоне температур, уделяя пристальное внимание их поведению при экстремальных температурах, чтобы гарантировать работу схемы в заданных пределах.Примеры включают смещение и дрейф входного смещения, ошибки усиления, температурные коэффициенты, номинальное напряжение, рассеиваемую мощность, утечку на плате и внутреннюю утечку других дискретных устройств, например, используемых в устройствах защиты от электростатического разряда и перенапряжения. Например, в ситуациях, когда источник с высоким импедансом соединен последовательно с входной клеммой усилителя, нежелательные токи утечки (кроме собственного тока смещения усилителя) могут создавать смещения, которые вызывают ошибку измерения тока смещения (рисунок 12).

Во всех случаях высокотемпературная эксплуатация усугубляет утечки на плате из-за загрязняющих веществ, таких как припой, пыль и конденсат. Правильная компоновка может помочь свести к минимуму эти эффекты, обеспечив адекватное расстояние между чувствительными узлами — например, отделив входы усилителя от зашумленных шин питания.

Стандартная распиновка для операционных усилителей и инструментальных усилителей помещает одну из входных клемм рядом с отрицательной клеммой питания.Это значительно снижает допуск на остатки флюса на печатной плате после сборки, которые могут вызвать повышенную утечку. Для уменьшения утечки и увеличения высокочастотного CMRR в AD8229 используется такая же высокопроизводительная распиновка, что и в других прецизионных инструментальных усилителях, созданных Analog Devices (рисунок 13).

Утечка диодов, ограничителей переходных напряжений (TVS) и других полупроводниковых устройств экспоненциально увеличивается с температурой и во многих случаях может быть на много порядков больше, чем входной ток смещения усилителя.В таких случаях проектировщик должен гарантировать, что утечка при экстремальных температурах не приведет к ухудшению технических характеристик схемы сверх желаемых пределов.

В настоящее время доступно несколько пассивных компонентов для работы при высоких температурах. Резисторы и конденсаторы встречаются повсеместно в любой схемотехнике. Некоторые имеющиеся в продаже варианты показаны в Таблице 1.

Таблица 1. Примеры высокотемпературных резисторов и конденсаторов

Обратите внимание, что компоненты для поверхностного монтажа склонны к утечке между клеммами, если их корпуса прилегают к печатной плате, поскольку остатки флюса имеют тенденцию оставаться в ловушке под ними после процесса сборки.Такие остатки отводят влагу, что при высокой температуре увеличивает их проводимость. В этой ситуации паразитный резистор (с довольно непредсказуемым поведением) появится на компоненте поверхностного монтажа, что может привести к дополнительным ошибкам схемы. Чтобы решить эту проблему, подумайте о выборе чипов большего размера, образующих крылья чайки или сквозных компонентов в областях схемы, которые особенно чувствительны. В конечном счете, этот нежелательный остаток можно почти полностью устранить, добавив эффективную стадию промывки картона, обычно с использованием ультразвука или омылителя, в конце процесса сборки.

Разработчик систем, которые будут работать в суровых условиях, должен учитывать управление температурным режимом. Даже в случае компонентов, рассчитанных на высокую температуру окружающей среды, следует учитывать самонагрев, связанный с их рассеянием мощности. В случае AD8229 его гарантированная работа при температуре до 210 ° C предполагает небольшую нагрузку по выходному току. Дополнительное рассеяние мощности, вызванное высокими нагрузками или постоянными неисправностями (такими как короткое замыкание на выходе), увеличит температуру перехода за пределы максимальных номинальных значений детали, что значительно сократит срок службы усилителя.Важно соблюдать рекомендуемые правила отвода тепла и знать о соседних источниках тепла, таких как регуляторы мощности.

Даже высокотемпературные резисторы имеют пониженную номинальную мощность выше 70 ° C. Обратите особое внимание на номинальные температуры резисторов при предполагаемой рабочей температуре, особенно если они рассеивают значительную мощность. Например, если резистор с номиналом 200 ° C работает при температуре окружающей среды 190 ° C, но если его самонагрев из-за рассеивания мощности составляет 20 ° C, он будет превышать свой номинал.

Хотя многие пассивные компоненты могут выдерживать высокие температуры, их конструкция может не подходить для длительного воздействия окружающей среды, в которой высокая температура может сочетаться с ударами и вибрацией. Кроме того, производители жаропрочных резисторов и конденсаторов указывают срок службы при заданной температуре. Соответствие сроку службы всех компонентов важно для получения высоконадежной системы. Наконец, не забывайте, что многим компонентам, рассчитанным на высокую температуру, может потребоваться дополнительное снижение номинальных характеристик для обеспечения продолжительной работы.

: нанесение на карту температурного градиента в печи

В качестве демонстрации двух подходящих устройств в высокотемпературном применении AD8229 и ADXL206 (двухосевой акселерометр) работали в высокотемпературной среде, которая была портативной и безопасной в использовании. В демонстрации используется небольшая электрическая печь с вращающимся узлом, на которой установлена ​​высокотемпературная печатная плата, которая непрерывно работает. Нагревательный элемент внутри духовки расположен ближе к верху. Такое расположение создает большой температурный градиент внутри объема духовки.Вращающийся механизм подходит для экспериментов, в которых можно комбинировать измерения температуры и положения.

AD8229 обрабатывает сигнал, поступающий от термопары K-типа, которая постоянно вращается внутри печи. Датчик термопары выступает за пределы печатной платы примерно на 6 дюймов — это позволяет лучше измерить изменение температуры печи. В то же время ADXL206 измеряет угол поворота. Три сигнала (градиент температуры, ускорение по оси x и ускорение по оси y) направляется через контактное кольцо (поворотный соединитель), рассчитанное на работу при высоких температурах.Контактное кольцо поддерживает соединение с невращающимся ремнем безопасности, который подключается к плате сбора данных за пределами печи. Поскольку «холодный спай» находится внутри печи, вторая термопара обеспечивает статический эталон внутренней температуры. Усилитель термопары AD8495 (также за пределами печи) использует встроенную компенсацию холодного спая для формирования сигнала дополнительной термопары.

Доска внутри духовки расположена недалеко от центра вращающегося узла, где приблизительная температура составляет 175 ° C.В конструкции доски использован полиимидный материал. Минимальная ширина дорожек на медных слоях составляет 0,020 дюйма для улучшения адгезии меди к материалу препрега (Рисунок 14). Компоненты были прикреплены с помощью стандартного припоя HMP (5 / 93,5 / 1,5 Sn / Pb / Ag) и тефлона. Для соединения платы и контактного кольца использовались провода с покрытием.

Все прецизионные компоненты устанавливаются в сквозное отверстие. Металлопленочный резистор 25 ppm / ° C устанавливает коэффициент усиления инструментального усилителя.Усилитель работает с высоким коэффициентом усиления, поэтому длина трассы от усилителя до резистора усиления должна быть как можно короче, чтобы минимизировать сопротивление меди (4000 ppm / ° C TC). Интерфейс между термопарой и усилителем расположен в центре платы, чтобы поддерживать постоянную температуру во время вращения. Клеммы термопары расположены как можно ближе друг к другу, чтобы устранить нежелательные эффекты термо-ЭДС на переходе.

Высокотемпературные танталовые конденсаторы и конденсаторы C0G / NP0 развязывают источник питания и служат фильтрами для выходного сигнала акселерометра.

Компьютер обрабатывает данные из четырех разных источников: угол поворота (прямоугольные компоненты x и y), градиент внутренней температуры и эталонная температура. Все эти измерения объединяются, чтобы составить карту температурного градиента (Рисунок 15). Результаты анализа показывают, что изменение температуры может достигать 25 ° C. Как и следовало ожидать, самая высокая температура у нагревательного элемента, который расположен в верхней части задней стенки духовки. Из-за естественной конвекции верхняя часть духовки является второй наиболее горячей зоной внутри духовки.Самая низкая температура определяется, когда термопара находится напротив нагревательного элемента.

Этот эксперимент показывает простым способом, как высокотемпературные компоненты, интегрированные в систему регистрации, могут извлекать ценную информацию при работе в суровых условиях.

Заключение

Для многих приложений, как существующих, так и новых, требуются компоненты, работающие в очень высокотемпературных средах. В прошлом было сложно спроектировать такие системы надежно из-за отсутствия устройств, рассчитанных на такие суровые условия.Теперь доступны интегральные схемы и вспомогательные компоненты, разработанные и сертифицированные для работы в этих средах, что экономит время на разработку и снижает риск отказа. Использование этой новой технологии и следование методам проектирования при высоких температурах позволит высокопроизводительным системам надежно работать даже в более экстремальных условиях, чем это было возможно ранее.

Для получения последней информации о компонентах обработки сигналов, предназначенных для разведки нефти и газа, геотермального мониторинга, управления промышленными двигателями и других приложений, работающих при температуре выше 125 ° C, посетите наш микросайт, посвященный высоким температурам.

Мы приглашаем вас оставлять комментарии о высокотемпературной электронике в сообществе Analog Dialogue на EngineerZone.

использованная литература

¹ A.E. I. Mehdi и Karimi K.J Brockschmidt, «Случай для высокотемпературной электроники для аэрокосмической промышленности», IMAPS Int’l. Конференция по высокотемпературной электронике (HiTEC), май 2006 г.

² Р.А. Норманн, Первое исследование продуктов высокотемпературной электроники, 2005 г. , Sandia National Laboratories Отчет Sandia SAND2006-1580, апрель 2006 г.

³ К. К. Рейнхардт и М. А. Марчиньяк, «Широкополосная силовая электроника для более электрических самолетов», в Proc. 3-й Int. Конф. Высокотемпературной электроники. , Альбукерке, Нью-Мексико, июнь 1996 г., стр. I.9 – I.15.

⁴ Б. Блэлок, Ч. Хьюк, Л. Толберт, М. Су, С. Ислам и Р. Виджаярагхаван, «Высокотемпературная электроника на основе кремния на изоляторе для автомобильных приложений», Международный симпозиум IEEE по промышленной электронике 2008 г. .

⁵ Дж.Л. Эванс, Дж. Р. Томпсон, М. Кристофер, П. Якобсен и Р. В. Джонсон, «Изменяющаяся автомобильная среда: высокотемпературная электроника», IEEE Trans. on Electronics Packaging Manufacturing , Vol. 27, No. 3, pp. 164-176, July 2004.

⁶ Э. Р. Хнатек, «Раздел 5: Управление температурой», Практическая надежность электронного оборудования и продуктов , Нью-Йорк, Нью-Йорк: CRC Press, 2002.

⁷ Национальный исследовательский совет, «Приложение A: Кремний как высокотемпературный материал», Материалы для высокотемпературных полупроводниковых устройств , Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press, 1995.

⁸ F.P McCluskey, R. Grzybowski и T. Podlesak, High Temperature Electronics , CRC Press, New York, 1997.

⁹ «Свойства сплавов многожильных паяльных проволок», Технический паспорт , Henkel Technologies, август 2007 г.

¹⁰ «Соображения по рассеиванию мощности в высокоточных тонкопленочных резисторах и массивах Vishay Sfernice (P, PRA и т. Д.) (Высокотемпературные применения)», Vishay Application Note , Doc.Номер: 53047, редакция: март 2010 г.

¹¹ http://www.analog.com/hightemp.

Заявка на патент США на светоизлучающее диодное устройство и способ изготовления одной и той же заявки на патент (заявка № 20120305959 от 6 декабря 2012 г.)

В данной заявке испрашивается приоритет заявки на патент Тайваня № 100119074, поданной 31 мая 2011 г., озаглавленной «Светоизлучающее диодное устройство и метод для его производства», автор — Куо-хуй Ю, Чанг- Hsin CHU, Chi-Lung WU, Shin-Jia CHIOU, Chung-Hsin LIN и Jui-Chun CHANG, описание которых полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, а более конкретно к светоизлучающему диодному (СИД) устройству и способу его изготовления.

Как показано на фиг. 1A и фиг. 1B, фиг. 1A представляет собой схематический вид сверху вертикальной светодиодной структуры в предшествующем уровне техники, а фиг. 1B — схематический вид в разрезе по линии A-B на фиг. 1А. Светодиодная структура 100 включает в себя подложку 102 , связующий слой 104 , контактный слой p-типа 106 , полупроводниковый слой p-типа 108 , активный слой 110 , n- полупроводниковый слой 112 n-типа, электродная площадка 114 n-типа, проводящая ветвь n-типа 116 и электродный слой p-типа 118 .

В светодиодной структуре 100 , связующий слой 104 , контактный слой p-типа 106 , полупроводниковый слой p-типа 108 , активный слой 110 и полупроводниковый слой n-типа , 112, последовательно уложены на поверхности , 120, подложки , 102, . Как показано на фиг. 1A, проводящая ветвь n-типа , 116, соединена с площадкой , 114, электрода n-типа и проходит наружу от площадки , 114, электрода n-типа.Кроме того, как показано на фиг. 1B, электродная площадка , 114, n-типа и проводящая ветвь , 116, n-типа расположены на полупроводниковом слое n-типа , 112, . Кроме того, электродный слой , 118, p-типа расположен на другой поверхности , 122 подложки , 102, , противоположной поверхности , 120, . Контактный слой , 106, p-типа обычно изготавливается из материала с высокой отражающей способностью, поэтому его также можно назвать отражающим слоем.

Однако светодиодная структура 100 имеет дефекты. Во-первых, поскольку электродная площадка , 114, n-типа и проводящая ветвь , 116 n-типа расположены на полупроводниковом слое n-типа , 112, над активным слоем , 110, , проводящая ветвь n-типа 116, , может поглощать свет, излучаемый активным слоем , 110, и, таким образом, снижать эффективность вывода света светодиодной структуры , 100, .

Кроме того, вертикальная светодиодная структура , 100, отличается от горизонтальной светодиодной структуры в предшествующем уровне техники.ИНЖИР. 2 — схематический вид в разрезе горизонтальной светодиодной структуры известного уровня техники. Горизонтальная светодиодная структура , 200, в предшествующем уровне техники включает в себя подложку , 202, ; нелегированный слой 204 GaN, расположенный на подложке 202 ; слой 206 GaN n-типа, расположенный на нелегированном слое 204 GaN; активный слой 208 , расположенный на части слоя 206 GaN n-типа; слой 210 GaN p-типа, расположенный на активном слое 208 ; электродную площадку 212 n-типа, расположенную на открытой поверхности GaN 216 слоя GaN n-типа 206 ; омический контактный слой p-типа , 220, , расположенный на слое GaN p-типа , 210, ; и электродную площадку 214 p-типа, расположенную на части омического контактного слоя p-типа 220 .Из-за характеристик материала верхняя поверхность слоя 206 GaN n-типа, удаленная от ростовой подложки, представляет собой поверхность GaN 216 , а нижнюю поверхность нелегированного слоя 204 GaN около субстрат для выращивания представляет собой N-грань 218 .

Следовательно, в горизонтальной светодиодной структуре 200 электродная площадка 212 n-типа расположена на поверхности 216 GaN-типа слоя 206 GaN n-типа. При такой архитектуре электродная площадка , 212, n-типа после отжига все еще сохраняет хороший омический контакт.С другой стороны, в вертикальной светодиодной структуре , 100, , электродная площадка n-типа , 114, и проводящая ветвь n-типа , 116, расположены на N-стороне полупроводникового слоя n-типа 112 . Следовательно, когда электродная площадка , 114, n-типа и проводящая ветвь , 116, n-типа расположены на N-стороне, термическая стабильность электродной площадки n-типа , 114, и проводящей ветви n-типа 116 изношена.Следовательно, после процесса отжига омический контакт между площадкой электрода n-типа , 114, и проводящей ветвью n-типа , 116, и полупроводниковым слоем n-типа , 112, , ухудшается, что приводит к увеличению сопротивления между электродная площадка n-типа , 114, и проводящая ветвь n-типа , 116, и полупроводниковый слой n-типа , 112 .

Кроме того, в процессе вертикальной светодиодной структуры 100 контактный слой p-типа 106 необходимо дважды подвергнуть процессу отжига, то есть процессу первого отжига после контактного слоя p-типа 106 формируется, и формируется второй процесс отжига после электродной площадки , 114, n-типа и проводящей ветви , 116, n-типа.Следовательно, после контактного слоя , 106, p-типа, который также функционирует как отражающий слой, подвергнутый двум процессам отжига, коэффициент отражения трудно контролировать.

Следовательно, в данной области техники существует ранее не решенная потребность в устранении вышеупомянутых недостатков и несоответствий.

В одном аспекте настоящее изобретение относится к светодиодному устройству и способу его изготовления, в котором проводящая ветвь расположена в эпитаксиальной структуре, таким образом уменьшая долю света, поглощаемого светом. проводящая ветвь.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к светодиодному устройству и способу его изготовления, в котором электродная площадка первого электрического типа и проводящая ветвь первого электрического типа расположены на поверхности Ga полупроводника первого электрического типа. слоя, таким образом улучшая термическую стабильность электродной площадки первого электрического типа и проводящей ветви первого электрического типа.

В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к светодиодному устройству и способу его изготовления, в котором второй контактный слой электрического типа, который также обеспечивает отражающую функцию, изготавливается после процесса отжига электродной площадки первого электрического типа. и первая проводящая ветвь электрического типа.Следовательно, можно эффективно управлять отражательной способностью контактного слоя второго электрического типа.

В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к светодиодному устройству и способу его изготовления, в котором светодиодный чип после резки может быть непосредственно закреплен на подложке корпуса или проводящей выводной рамке, а затем ростовая подложка удалены, и, таким образом, изготовление светодиодного устройства практически завершено. Поэтому после удаления субстрата для выращивания литографический процесс можно не проводить.

В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к светодиодному устройству и способу его изготовления, в котором после того, как светодиодный чип после резки размещается на подложке или раме корпуса, не требуется дополнительно изготавливать выпускной канал. для вентиляции газа, образующегося в процессе удаления ростового субстрата лазером. Следовательно, степень использования светоизлучающей области светодиодного кристалла может быть увеличена.

В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к созданию светодиодного устройства и способа его изготовления, в котором светодиодные чипы, имеющие разные длины волны излучения света, могут быть успешно объединены вместе путем наложения друг на друга, образуя таким образом светодиодное устройство, которое обеспечивает смешанный свет.Следовательно, разнообразие и применимость светодиодного устройства могут быть улучшены.

В соответствии с вышеуказанными целями настоящего изобретения предоставляется светодиодное устройство. Светодиодное устройство включает в себя подложку, первый связывающий слой, первую эпитаксиальную структуру, проводящую ветвь первого электрического типа, электродный слой первого электрического типа, изолирующий слой и второй электродный слой электрического типа. Подложка имеет первую и вторую поверхности, противоположные друг другу. Связующий слой расположен на первой поверхности.Первая эпитаксиальная структура имеет третью поверхность и четвертую поверхность, противоположные друг другу, и включает в себя первую канавку и вторую канавку. Первая эпитаксиальная структура включает в себя полупроводниковый слой второго электрического типа, активный слой и первый полупроводниковый слой электрического типа, последовательно уложенные на первом связующем слое. Первая канавка проходит от четвертой поверхности до первого полупроводникового слоя электрического типа через активный слой, а вторая канавка проходит от четвертой поверхности до третьей поверхности.Полупроводниковый слой первого электрического типа и полупроводниковый слой второго электрического типа имеют разные электрические типы. Проводящая ветвь первого электрического типа расположена на полупроводниковом слое первого электрического типа в первой канавке. Электродный слой первого электрического типа расположен во второй канавке, копланарной с третьей поверхностью, и соединен с проводящей ветвью первого электрического типа. Изолирующим слоем заполняется первая канавка и вторая канавка.Электродный слой второго электрического типа и полупроводниковый слой второго электрического типа электрически соединены.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения электродный слой второго электрического типа расположен на второй поверхности подложки, и подложка является проводящей подложкой.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения первая эпитаксиальная структура дополнительно включает третью канавку, проходящую от четвертой поверхности до третьей поверхности, а изолирующий слой дополнительно заполняет третью канавку.Кроме того, электродный слой второго электрического типа расположен в третьей канавке и копланарен третьей поверхности. Светодиодное устройство дополнительно включает в себя проводящий слой, электрически соединенный со вторым электродным слоем электрического типа и полупроводниковым слоем второго электрического типа.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, светодиодное устройство дополнительно включает в себя первый проводящий вывод, электрически подключенный к электродному слою первого электрического типа, и первый электрод внешнего источника питания, а также второй проводящий провод, электрически подключенный ко второму электрическому слою. тип электродного слоя и второй электрод внешнего источника питания.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, светодиодное устройство дополнительно включает в себя второй связывающий слой, расположенный между подложкой и первым связывающим слоем, первый проводящий вывод, электрически соединенный с электродным слоем первого электрического типа, и первый электрод внешний источник питания и второй токопроводящий вывод, электрически связанный со вторым связывающим слоем и вторым электродом внешнего источника питания.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, светодиодное устройство дополнительно включает в себя первый прозрачный проводящий слой, вторую эпитаксиальную структуру, множество первых контактных площадок, еще одну проводящую ветвь первого электрического типа, еще один электродный слой первого электрического типа и еще один изоляционный слой.Первый прозрачный проводящий слой расположен на третьей поверхности. Вторая эпитаксиальная структура имеет пятую поверхность и шестую поверхность, противоположные друг другу, и включает третью канавку и четвертую канавку. Вторая эпитаксиальная структура включает в себя другой полупроводниковый слой второго электрического типа, другой активный слой и еще один полупроводниковый слой первого электрического типа, последовательно уложенные на первом прозрачном проводящем слое. Третья канавка проходит от шестой поверхности к другому полупроводниковому слою первого электрического типа через другой активный слой, а четвертая канавка проходит от шестой поверхности к пятой поверхности.Первые контактные площадки прикреплены между первым прозрачным проводящим слоем и первой эпитаксиальной структурой. Другая проводящая ветвь первого электрического типа расположена на другом полупроводниковом слое первого электрического типа в третьей канавке. Другой электродный слой первого электрического типа расположен в четвертой канавке, копланарной пятой поверхности, и соединен с другой проводящей ветвью первого электрического типа. Другой изолирующий слой заполняет третью канавку и четвертую канавку.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, светодиодное устройство дополнительно включает в себя второй прозрачный проводящий слой, третью эпитаксиальную структуру, множество вторых контактных площадок, еще одну проводящую ветвь первого электрического типа, еще один электродный слой первого электрического типа. и еще один изолирующий слой. Второй прозрачный проводящий слой расположен на пятой поверхности. Третья эпитаксиальная структура имеет седьмую поверхность и восьмую поверхность, противоположные друг другу, и включает пятую канавку и шестую канавку.Третья эпитаксиальная структура включает в себя еще один полупроводниковый слой второго электрического типа, еще один активный слой и еще один полупроводниковый слой первого электрического типа, последовательно уложенные на втором прозрачном проводящем слое. Пятая канавка проходит от восьмой поверхности до еще одного полупроводникового слоя первого электрического типа через еще один активный слой, а шестая канавка проходит от восьмой поверхности до седьмой поверхности. Вторые контактные площадки прикреплены между вторым прозрачным проводящим слоем и второй эпитаксиальной структурой.Еще одна проводящая ветвь первого электрического типа расположена на еще одном полупроводниковом слое первого электрического типа в пятой канавке. Еще один электродный слой первого электрического типа расположен в шестой канавке, копланарно седьмой поверхности, и соединен с еще одним проводящим ответвлением первого электрического типа. Еще один изолирующий слой заполняет пятую канавку и шестую канавку.

В соответствии с вышеуказанными целями настоящего изобретения также предоставляется способ изготовления светодиодного устройства, который включает следующие этапы.Первая эпитаксиальная структура формируется на первой подложке. Первая эпитаксиальная структура включает в себя полупроводниковый слой первого электрического типа, активный слой и второй полупроводниковый слой электрического типа, последовательно уложенные на первой подложке. Первая эпитаксиальная структура включает первую канавку и вторую канавку. Первая канавка и вторая канавка проходят от второго полупроводникового слоя электрического типа соответственно до первого полупроводникового слоя электрического типа и первой подложки.Проводящая ветвь первого электрического типа и электродный слой первого электрического типа соответственно сформированы на полупроводниковом слое первого электрического типа в первой канавке и на первой подложке во второй канавке. Изолирующий слой заполняет первый паз и второй паз. Первый связующий слой сформирован на втором полупроводниковом слое электрического типа и изолирующем слое. Вторая подложка приклеивается к первому связующему слою. Первый субстрат удаляется.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания предпочтительного варианта осуществления, взятого вместе со следующими чертежами, хотя изменения и модификации в них могут быть затронуты без отклонения от сущности и объема новых концепций раскрытие.

Чертежи, описанные ниже, предназначены только для целей иллюстрации. Чертежи никоим образом не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Файл патента или заявки может содержать как минимум один цветной рисунок. В таком случае копии данного патента или публикации заявки на патент с цветным рисунком (-ами) будут предоставлены Ведомством по запросу и уплате необходимой пошлины.

Дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из подробного описания его предпочтительных вариантов осуществления, взятого вместе со следующими чертежами, на которых аналогичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными номерами, и на которых:

Фиг.1A — схематический вид сверху вертикальной светодиодной структуры в предшествующем уровне техники;

РИС. 1B — схематический вид в разрезе по линии A-B на фиг. 1А;

РИС. 2 — схематический вид в разрезе горизонтальной светодиодной структуры известного уровня техники;

РИС. 3A — вид сверху светодиодного устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

РИС. 3B — вид в разрезе по линии A-B на фиг. 3А;

РИС.3C — вид в разрезе по линии C-D поперечного сечения на фиг. 3А;

РИС. С 4А по фиг. 4E — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

РИС. 5A — вид сверху светодиодного устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

РИС. 5B — вид в разрезе по линии E-F на фиг. 5А;

РИС. С 6А по фиг. 6E — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

РИС.7A и фиг. 7B — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

РИС. 8A и фиг. 8B — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг. С 9А по фиг. 9E — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.

Настоящее изобретение более конкретно описано в следующих примерах, которые предназначены только для иллюстрации, поскольку для специалистов в данной области будут очевидны многочисленные модификации и вариации в нем.Теперь подробно описаны различные варианты осуществления изобретения. Ссылаясь на чертежи, на фиг. 1-9E, такие же числа, если они есть, указывают на одинаковые компоненты во всех видах. Как используется в описании в данном документе и во всей следующей формуле изобретения, значения «а», «an» и «the» включают множественные ссылки, если контекст явно не диктует иное. Кроме того, как используется в описании в данном документе и во всей следующей формуле изобретения, значение «in» включает «in» и «on», если контекст явно не диктует иное.Более того, заголовки или подзаголовки могут использоваться в спецификации для удобства читателя, что не должно влиять на объем настоящего изобретения. Кроме того, некоторые термины, используемые в этой спецификации, более конкретно определены ниже.

Термины, используемые в этом описании, обычно имеют свои обычные значения в данной области техники, в контексте изобретения и в конкретном контексте, где используется каждый термин. Некоторые термины, которые используются для описания изобретения, обсуждаются ниже или в другом месте описания, чтобы предоставить практикующему специалисту дополнительные указания относительно описания изобретения.Для удобства некоторые термины могут быть выделены, например, курсивом и / или кавычками. Использование выделения не влияет на объем и значение термина; объем и значение термина одинаковы, в одном контексте, независимо от того, выделен он или нет. Будет понятно, что одно и то же можно сказать более чем одним способом. Следовательно, альтернативный язык и синонимы могут использоваться для любого одного или нескольких терминов, обсуждаемых в данном документе, и при этом не следует придавать особого значения тому, разрабатывается или обсуждается данный термин в данном документе.Приведены синонимы для определенных терминов. Изложение одного или нескольких синонимов не исключает использования других синонимов. Использование примеров где-либо в этом описании, включая примеры любых обсуждаемых здесь терминов, является только иллюстративным и никоим образом не ограничивает объем и значение изобретения или любого приведенного в качестве примера термина. Точно так же изобретение не ограничивается различными вариантами осуществления, приведенными в этом описании.

Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют то же значение, которое обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой относится это изобретение.В случае конфликта настоящий документ, включая определения, будет иметь преимущественную силу.

Используемые здесь термины «около», «примерно» или «приблизительно» обычно означают в пределах 20 процентов, предпочтительно в пределах 10 процентов и более предпочтительно в пределах 5 процентов от заданного значения или диапазона. Приведенные здесь числовые величины являются приблизительными, что означает, что термин «примерно», «примерно» или «приблизительно» может подразумеваться, если не указан явно.

В данном контексте «множество» означает два или более.

Используемые здесь термины «содержащий», «включающий», «несущий», «имеющий», «содержащий», «вовлекающий» и т.п. следует понимать как неограниченные, т.е.е., чтобы означать включая, но не ограничиваясь ими.

Ссылаясь на фиг. С 3А по фиг. 3C, фиг. 3A — вид сверху светодиодного устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, фиг. 3B — вид в разрезе по линии A-B на фиг. 3A и фиг. 3C — вид в разрезе по линии C-D поперечного сечения на фиг. 3А. В этом варианте осуществления светодиодное устройство , 300, , , , в основном включает в себя подложку , 302, , связующий слой, , 304, , эпитаксиальную структуру, , 328, , проводящую ветвь первого электрического типа, , 320, , электрод первого электрического типа. слой , 322, , изолирующий слой , 326, и электродный слой второго электрического типа, , 338, , как показано на фиг.3B.

В светодиодном устройстве , 300, , , , подложка , 302, имеет поверхности , 334, и , 336, , соответственно, расположенные на двух противоположных сторонах. Эпитаксиальная структура , 328, прикреплена к поверхности , 334, подложки , 302, , посредством связующего слоя , 304, , то есть связующий слой , 304, соединен между эпитаксиальной структурой , 328, и поверхностью . 334 подложки 302 .Материал связующего слоя 304 представляет собой проводящий материал, например Au, AuSn или In. Материал эпитаксиальной структуры , 328, может быть, например, материалом на основе GaN. Эпитаксиальная структура , 328, имеет поверхности , 330, и , 332, , расположенные на двух противоположных сторонах.

В одном варианте осуществления эпитаксиальная структура , 328, может включать в себя полупроводниковый слой второго электрического типа , 308, , активный слой , 310, и первый полупроводниковый слой электрического типа, , 312, , последовательно уложенные поверх связующего слоя 304 .Здесь поверхность 332 эпитаксиальной структуры 328 является поверхностью полупроводникового слоя первого электрического типа 312 , а поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 является поверхностью полупроводникового слоя второго электрического типа. 308 . В настоящем изобретении первый электрический тип и второй электрический тип имеют разные электрические типы. Например, первый электрический тип или второй электрический тип являются n-типом, а другой — p-типом.В этом варианте осуществления первый электрический тип является n-типом, а второй электрический тип — p-типом.

В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 3B, эпитаксиальная структура , 328, может дополнительно включать нелегированный полупроводниковый слой , 314, . Нелегированный полупроводниковый слой , 314, расположен на первом полупроводниковом слое электрического типа , 312, . Следовательно, в отличие от вышеупомянутого варианта осуществления, здесь поверхность , 332, эпитаксиальной структуры , 328, является поверхностью нелегированного полупроводникового слоя , 314, .Более того, поверхность нелегированного полупроводникового слоя , 314, , т.е. поверхность , 332, эпитаксиальной структуры, , 328, , может быть снабжена правильно расположенной структурой или нерегулярно расположенной структурой, таким образом улучшая скорость вывода света светодиода. устройство 300 а.

В этом варианте осуществления, в соответствии с требованиями к продукту, светодиодное устройство 300 включает в себя второй контактный слой электрического типа 306 .Контактный слой второго электрического типа , 306, расположен между полупроводниковым слоем второго электрического типа , 308, и связующим слоем , 304, для улучшения качества электрического контакта второго полупроводникового слоя электрического типа , 308, . Следовательно, материал контактного слоя второго электрического типа , 306, является проводящим материалом, например Ni / Ag. В одном примере контактный слой второго электрического типа , 306, может также иметь отражающую функцию, поэтому контактный слой второго электрического типа , 306, иногда может называться отражающим слоем.

В этом варианте осуществления эпитаксиальная структура , 328, включает в себя две канавки: , 316, и , 318, . Канавка , 316, проходит от полупроводникового слоя второго электрического типа , 308, до первого полупроводникового слоя электрического типа , 312, , то есть канавка , 316, проходит от поверхности , 330, эпитаксиальной структуры , 328, , до первый полупроводниковый слой электрического типа , 312, через активный слой , 310, .Дно канавки , 316, обнажает часть первого полупроводникового слоя электрического типа , 312, . С другой стороны, канавка , 318, проходит от полупроводникового слоя второго электрического типа , 308, до нелегированного полупроводникового слоя , 314, и проникает в эпитаксиальную структуру , 328, , то есть канавка , 318, , проходит от поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 к поверхности 332 .

Ссылаясь на фиг. 3B, опять же, электродный слой первого электрического типа , 322, расположен в канавке , 318, и копланарен поверхности , 332, эпитаксиальной структуры , 328, . Кроме того, проводящая ветвь первого электрического типа , 320, расположена на первом полупроводниковом слое электрического типа , 312, , открытом канавкой , 316, эпитаксиальной структуры , 328, . Обращаясь к фиг. 3A и фиг.3C, в то же время электродный слой первого электрического типа , 322, соединен с первой проводящей ветвью электрического типа , 320, , и первая проводящая ветвь электрического типа , 320, может выходить наружу от электродного слоя первого электрического типа. 322 . Проводящая ветвь первого электрического типа , 320, и электродный слой первого электрического типа , 322, имеют интегрированную структуру. Как показано на фиг. 3C, слой , 322, электрода первого электрического типа и проводящая ветвь первого электрического типа , 320, имеют разность по высоте.Материал проводящей ветви первого электрического типа , 320, и слоя электрода первого электрического типа , 322, может быть, например, Ti / Al, Cr / Pt / Au или Ti / Al / Ti / Au.

В одном варианте осуществления светодиодное устройство , 300, , , может дополнительно включать в себя отражающий слой 324 . Как показано на фиг. 3B и фиг. 3C, отражающий слой , 324, расположен на верхней поверхности электродного слоя первого электрического типа , 322, и первого проводящего ответвления электрического типа , 320, .В другом варианте осуществления отражающий слой , 324, может перекрываться на верхней поверхности и боковых поверхностях электродного слоя первого электрического типа , 322, и проводящего ответвления первого электрического типа , 320, . Отражающий слой , 324, может быть образован, например, из алюминия, серебра, платины или структуры распределенного брэгговского отражателя (DBR).

Изолирующий слой 326 заполняет канавки 316 и 318 и перекрывает проводящую ветвь первого электрического типа 320 и слой электрода первого электрического типа 322 , расположенные соответственно в канавках 316 и 318 .Материал изолирующего слоя , 326, может быть, например, методом центрифугирования на стекле (SOG), SiO ₂ или SiN.

В этом варианте осуществления, как показано на фиг. 3B и фиг. 3C, слой электрода второго электрического типа , 338, расположен на поверхности , 336, подложки , 302, . Здесь подложка , 302, предпочтительно является проводящей подложкой, так что электродный слой второго электрического типа , 338, может быть электрически соединен со вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, через подложку , 302, , связующий слой , 304. и второй контактный слой электрического типа 306 .В одном варианте осуществления подложка , 302, может быть материалом с высокой теплопроводностью, например Si, Cu и CuW, тем самым улучшая способность рассеивания тепла светодиодным устройством 300 a . Электродный слой второго электрического типа , 338, может быть сформирован, например, из структуры Ti / Au. Определенно, если подложка , 302, является проводящей подложкой, а подложка , 302, и последующие процессы могут иметь хорошие электрические характеристики, второй слой электрода электрического типа , 338, может быть опущен при желании.

В другом варианте осуществления светодиодное устройство 300 a дополнительно необязательно включает в себя слой улучшения света 366 в соответствии с требованиями продукта. Слой усиления света , 366, расположен на нелегированном полупроводниковом слое , 314, . Слой , 366, улучшения света может быть структурой, образованной одним слоем материала, или структурой, сформированной путем наложения нескольких слоев материала. В примере поверхность одной стороны слоя , 366, усиления света, противоположная нелегированному полупроводниковому слою , 314, , может иметь регулярно расположенную структуру или нерегулярно расположенную структуру для повышения скорости вывода света светодиодного устройства 300 а.

Материал светочувствительного слоя 366 предпочтительно является прозрачным материалом, например Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , SiN или TiO ₂ . Показатель преломления светочувствительного слоя , 366, больше, чем показатель преломления воздуха, но меньше, чем показатель преломления нелегированного полупроводникового слоя , 314, . Следовательно, показатели преломления эпитаксиальной структуры , 328, , слоя усиления света , 366, и воздуха имеют одинаковую тенденцию, то есть показатели преломления эпитаксиальной структуры , 328, , слоя усиления света , 366, и уменьшение воздуха в той же тенденции.При такой же тенденции дизайна показателей преломления предотвращается полное отражение света, излучаемого наружу эпитаксиальной структурой 328 через светоусиливающий слой 366 , тем самым улучшая скорость вывода света светодиодным устройством 300 а.

РИС. С 4А по фиг. 4E — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления, когда светодиодное устройство , 300, , , , изготавливается, предоставляется подложка , 340, .Подложка , 340, является эпитаксиальной подложкой для выращивания эпитаксиальной структуры , 328, . Затем применяется процесс металлорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD) для последовательного выращивания нелегированного полупроводникового слоя , 314, , первого полупроводникового слоя электрического типа , 312, , активного слоя , 310, и второго полупроводника электрического типа. слой 308 эпитаксиальной структуры 328 на поверхности 342 подложки 340 .

Затем, как показано на фиг. 4A, например, процесс литографии и травления используется для удаления части эпитаксиальной структуры 328 , чтобы определить канавки 316 и 318 в эпитаксиальной структуре 328 . Дно канавки , 316, обнажает первый полупроводниковый слой электрического типа , 312, , канавка , 318, проходит через эпитаксиальную структуру , 328, , а нижняя часть канавки, , 318, , обнажает поверхность , 342, подложки. 340 .

Затем, как показано на фиг. 4B, например, процесс напыления, литографии и травления используется для формирования соответственно слоя электрода первого электрического типа 322 и первого проводящего ответвления электрического типа 320 в канавках , 318, и , 316 . Электродный слой первого электрического типа , 322, расположен на открытой части поверхности , 342, подложки, , 340, , в канавке , 318, , а проводящая ветвь первого электрического типа , 320, расположена на открытой части. первого полупроводникового слоя электрического типа , 312, , в канавку , 316, .В одном варианте осуществления после того, как сформированы проводящая ветвь первого электрического типа , 320, и электродный слой первого электрического типа , 322, , может быть выполнен процесс отжига для улучшения электрического контактного сопротивления между проводящей ветвью первого электрического типа , 320, и контактировавший первый полупроводниковый слой электрического типа , 312, .

После этого процесс осаждения используется для формирования отражающего слоя 324 , покрывающего верхние поверхности электродного слоя первого электрического типа 322 и первого проводящего ответвления электрического типа 320 , как показано на фиг.4Б. Или отражающий слой , 324, может перекрывать слой электрода первого электрического типа , 322, и проводящую ветвь первого электрического типа , 320, .

Затем можно использовать процесс осаждения или центрифугирования для формирования слоя изоляционного материала, покрывающего всю поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 и заполняющего канавки 316 и 318 . Затем процесс травления или шлифования применяется для удаления лишнего изоляционного материала с поверхности 330 эпитаксиальной структуры 328 и формирования изолирующего слоя 326 , заполненного канавками 316 и 318 , как показано на фиг.4С.

В одном варианте осуществления стопорный слой (не показан), например сначала может быть сформирован слой остановки травления или слой остановки шлифования, чтобы покрыть поверхность , 330, , эпитаксиальной структуры , 328, . Например, когда процесс сухого травления используется для удаления лишнего изоляционного материала на эпитаксиальной структуре , 328, , слой остановки сухого травления, сформированный из материала Au или Ni, может быть сначала сформирован на поверхности , 330, эпитаксиальной структуры . 328 .

Следовательно, следующий процесс травления изоляционного материала может обеспечить хороший контроль глубины травления, и, таким образом, сформированная поверхность изолирующего слоя , 326, и поверхность , 330, эпитаксиальной структуры , 328, , могут быть расположены в одном самолете.

Затем, например, процесс осаждения необязательно используется для формирования второго контактного слоя электрического типа 306 , покрывающего поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 и изолирующий слой 326 .В одном варианте осуществления после формирования второго контактного слоя электрического типа , 306, может быть выполнен процесс отжига для улучшения электрического контактного сопротивления между вторым контактным слоем электрического типа , 306, и контактирующим вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, . . Затем, например, процесс осаждения используется для формирования связующего слоя , 304, , покрывающего второй контактный слой электрического типа , 306, , над вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, и изолирующим слоем , 326, , таким образом формируя структуру. как показано на фиг.4D. Затем, как показано на фиг. 4E, связывающий слой , 304, используется для соединения эпитаксиальной структуры , 328, и другой подложки , 302, . Здесь подложка , 302, соединяется со связующим слоем , 304, .

После этого, когда подложка 302 служит опорной структурой, применяется процесс лазерного подъема или шлифования для удаления ростовой подложки 340 , используемой в эпитаксии, таким образом обнажая поверхность 332 эпитаксиальной структуры 328 , электродный слой первого электрического типа , 322 и изолирующий слой , 326 .В этом варианте осуществления процесс испарения или распыления используется для формирования слоя электрода второго типа 338 , покрывающего поверхность 336 подложки 302 , таким образом, по существу завершая изготовление светодиодного устройства 300 a , как показано на фиг. 3B и фиг. 3С.

В светодиодном устройстве 300 a , электродный слой второго электрического типа 338 и связующий слой 304 соответственно расположены на поверхностях 336 и 334 двух противоположных сторон подложки 302 .Кроме того, подложка , 302, может быть проводящей подложкой, и, таким образом, электродный слой второго электрического типа , 338, электрически соединен со вторым полупроводниковым слоем электрического типа 308 через подложку 302 , связующий слой 304 и второй контактный слой электрического типа , 306, .

В одном варианте осуществления, после удаления подложки , 340, для эпитаксиального роста, дополнительно применяется процесс осаждения для необязательного формирования светочувствительного слоя 366 , покрывающего поверхность 332 эпитаксиальной структуры 328 , то есть , покрывающий нелегированный полупроводниковый слой 314 .

В настоящем изобретении электродный слой первого электрического типа и электродный слой второго электрического типа могут быть расположены в одной плоскости. Обращаясь к фиг. 5A и фиг. 5B, фиг. 5A — вид сверху светодиодного устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, а фиг. 5B — вид в разрезе по линии E-F на фиг. 5А. В этом варианте осуществления архитектура светодиодного устройства 300 b по существу такая же, как и у светодиодного устройства 300 a указанного выше варианта осуществления, и разница заключается в том, что эпитаксиальная структура 328 светодиодное устройство 300 b дополнительно включает в себя другую канавку 344 , пронизывающую эпитаксиальную структуру 328 , как показано на фиг.5Б. Во-вторых, электродный слой второго электрического типа 346 светодиодного устройства 300 b расположен в канавке 344 , а второй электродный слой электрического типа , 346, электрически соединен со вторым полупроводниковым слоем электрического типа. 308 через проводящий слой 350 . Кроме того, электродный слой второго электрического типа , 346, и первый электродный слой электрического типа , 322, расположены в одной плоскости, как показано на фиг.5А. То есть, электродный слой второго электрического типа , 346, и первый электродный слой электрического типа , 322, оба копланарны поверхности , 332, эпитаксиальной структуры , 328, , как показано на фиг. 5Б.

Следует отметить, что в этом варианте осуществления изготовление слоя 366 улучшения света светодиодного устройства 300 a опускается. Определенно, в соответствии с требованиями к продукту, как светодиодное устройство 300, a в первом варианте осуществления, слой улучшения света может быть добавлен в светодиодное устройство 300 b этого варианта осуществления.

Ссылаясь на фиг. 5B, опять же, в светодиодном устройстве 300 b , как и канавка 318 , канавка 344 проходит от полупроводникового слоя второго электрического типа 308 до нелегированного полупроводникового слоя 314 и проникает внутрь. эпитаксиальная структура 328 , то есть канавка 344 проходит от поверхности 330 эпитаксиальной структуры 328 до поверхности 332 .Аналогично, электродный слой первого электрического типа , 322, расположен в канавке , 318, и копланарен поверхности , 332, эпитаксиальной структуры , 328, . Проводящая ветвь первого электрического типа , 320, расположена на первом полупроводниковом слое электрического типа , 312, , открытом канавкой , 316, эпитаксиальной структуры , 328, . С другой стороны, электродный слой второго электрического типа , 346, расположен в канавке , 344, .Электродный слой первого электрического типа , 322, и второй электродный слой электрического типа, , 346, , оба копланарны с поверхностью , 332, эпитаксиальной структуры , 328, . Электродный слой второго электрического типа , 346, может быть образован, например, структурой Ti / Au.

Аналогично, светодиодное устройство , 300, , b, может дополнительно включать в себя отражающий слой , 324, . Отражающий слой , 324, расположен на верхних поверхностях электродного слоя первого электрического типа , 322, , проводящего ответвления первого электрического типа , 320, и второго слоя электрода электрического типа , 346, .В другом варианте осуществления отражающий слой , 324, может перекрывать верхние поверхности и боковые поверхности слоя электрода первого электрического типа , 322, , проводящего ответвления первого электрического типа , 320, и второго слоя электрода электрического типа , 346, . Кроме того, изолирующий слой , 326, заполняет канавки , 316, , , 318, и , 344, эпитаксиальной структуры , 328, и перекрывает проводящую ветвь первого электрического типа 320 , электродный слой первого электрического типа 322 и слой электрода второго типа 346 в канавках 316 , 318 и 344 .

В этом варианте осуществления светодиодное устройство 300 b дополнительно включает в себя проводящий слой 350 , покрывающий поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 . Проводящий слой , 350, имеет проводящую вилку , 352, , проходящую и вставленную в изолирующий слой , 326, , в канавку , 344, , а проводящий слой , 350, соединен со вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, и отражающий слой , 324, на слое электрода второго типа , 346, , чтобы быть электрически соединенным со слоем электрода второго типа , 346, и вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, .

РИС. С 6А по фиг. 6E — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления, когда светодиодное устройство , 300, , b, , изготавливается, для эпитаксиального выращивания на нем эпитаксиальной структуры , 328, предоставляется подложка , 340, . Затем, например, процесс MOCVD используется для последовательного выращивания нелегированного полупроводникового слоя 314 , первого полупроводникового слоя электрического типа 312 , активного слоя 310 и второго полупроводникового слоя электрического типа 308 эпитаксиальная структура 328 на поверхности 342 подложки 340 .

Затем, как показано на фиг. 6A, например, процесс литографии и травления используется для удаления части эпитаксиальной структуры 328 , чтобы определить канавки 316 , 318 и 344 в эпитаксиальной структуре 328 . Дно канавки , 316, обнажает первый полупроводниковый слой электрического типа , 312, . Канавка , 318, проходит через эпитаксиальную структуру , 328, , и дно канавки , 318, открывает поверхность , 342, подложки , 340, .Кроме того, канавка , 344, также проникает в эпитаксиальную структуру , 328, , а дно канавки , 344, также обнажает поверхность , 342, подложки, , 340, .

Затем, как показано на фиг. 6B, например, процесс испарения используется для формирования соответственно слоя электрода первого электрического типа 322 , проводящего ответвления первого электрического типа 320 и второго слоя электрода электрического типа 346 в канавках 318 , 316 и 344 .Электродный слой первого электрического типа , 322, и второй электродный слой электрического типа, , 346, , соответственно, расположены на открытой части поверхности 342 подложки 340 в канавках , 318, и , 344, , и проводящая ветвь первого электрического типа , 320, расположена на открытой части полупроводникового слоя первого электрического типа , 312, в канавке , 316, . В одном варианте осуществления, после того, как первая электропроводящая ветвь 320, электрического типа сформирована, электродный слой первого электрического типа , 322, и второй электродный слой электрического типа , 346, сформирован, выполняется процесс отжига для улучшения электрического контактного сопротивления между первого проводящего ответвления электрического типа , 320, и контактирующего первого полупроводникового слоя электрического типа , 312, .

После этого, как показано на фиг. 6B, например, процесс осаждения используется для формирования отражающего слоя , 324, , покрывающего верхние поверхности слоя электрода первого электрического типа , 322, , проводящего ответвления первого электрического типа , 320, и второго слоя электрода электрического типа . 346 . Или отражающий слой , 324, может перекрывать слой электрода первого электрического типа , 322, , проводящую ветвь первого электрического типа , 320, и слой электрода второго электрического типа, слой , 346, .

Затем, например, применяется процесс осаждения или центрифугирования для формирования слоя изоляционного материала, покрывающего всю поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 и заполняющего канавки 316 и 318 . После этого, например, процесс травления или шлифования применяется для удаления лишнего изоляционного материала с поверхности 330 эпитаксиальной структуры 328 и формирования изолирующего слоя 326 , заполненного канавками 316 , 318 и 344 .Затем, например, метод литографии и травления используется для определения рисунков изолирующего слоя , 326, в канавке , 344, , чтобы удалить часть изолирующего слоя , 326, в канавке , 344, , тем самым формируя отверстие . 348 в изолирующем слое 326 в канавке 344 . Как показано на фиг. 6C, нижняя часть отверстия 348 обнажает часть отражающего слоя 324 над слоем электрода второго типа 346 .

Аналогичным образом, в одном варианте осуществления стопорный слой (не показан), например слой остановки травления или слой остановки шлифования может быть сначала сформирован для покрытия поверхности , 330, эпитаксиальной структуры, , 328, , и, таким образом, следующий процесс травления или шлифования изоляционного материала может обеспечить хороший контроль глубины удаления , и, таким образом, сформированная поверхность изолирующего слоя , 326, и поверхность , 330, эпитаксиальной структуры , 328, могут быть расположены в одной плоскости.

Затем проводящий слой 350 , покрывающий поверхность 330 эпитаксиальной структуры 328 и изолирующий слой 326 и заполняющий отверстие 348 в изолирующем слое 326 в канавке 344 может быть сформирован с использованием, например, процесса осаждения, чтобы быть электрически соединенным со вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, и вторым электродным слоем электрического типа , 346, под отражающим слоем , 324, .Часть проводящего слоя 350 в отверстии 348 образует токопроводящую заглушку 352 . В этом варианте осуществления проводящий слой , 350, предпочтительно изготовлен из материала, который может образовывать хороший электрический контакт со вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, .

В одном варианте осуществления после формирования проводящего слоя , 350, , выполняется процесс отжига для улучшения электрического контактного сопротивления между проводящим слоем , 350, и контактирующим вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, .Затем, как показано на фиг. 6D, например, процесс осаждения используется для формирования связующего слоя , 304, , покрывающего проводящий слой , 350, , над вторым полупроводниковым слоем электрического типа , 308, и изолирующим слоем, , 326, . После этого, как показано на фиг. 6E, связывающий слой , 304, используется для скрепления эпитаксиальной структуры , 328, и другой подложки , 302, , чтобы связать эпитаксиальную структуру , 328, с подложкой, , 302, .

Затем подложка , 302, используется в качестве опорной конструкции, и, например, применяется лазерный подъем или процесс шлифования для удаления ростовой подложки 340 , используемой в эпитаксии, таким образом обнажая поверхность 332 эпитаксиальная структура , 328, , электродный слой первого электрического типа , 322 , второй электродный слой электрического типа, слой , 346, и изолирующий слой, , 326, , что по существу завершает изготовление светодиодного устройства 300 b , как показано на фиг.5Б.

РИС. 7A и фиг. 7B — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления, когда светодиодное устройство 300 c , как показано на фиг. 7B изготовлен аналогично описанию вышеупомянутого варианта осуществления со ссылкой на фиг. С 4А по фиг. 4D, множество эпитаксиальных чипов, показанных на фиг. 4D может быть сформирован на пластине. Затем эпитаксиальные чипы, сформированные на пластине, вырезаются и отделяются.

Затем предоставляется подложка 354 . Подложка , 354, может быть, например, подложкой корпуса, подложкой с высокой теплопроводностью или рамой корпуса. Затем, например, процесс осаждения используется для формирования связующего слоя , 356, , покрывающего поверхность подложки , 354, . Материал связующего слоя 356 может быть проводящим материалом, например. Au, AuSn или In. В одном варианте осуществления связующий слой , 356, может использоваться в качестве электродного слоя второго электрического типа светодиодного устройства 300, , c .В другом варианте осуществления электродный слой второго электрического типа может быть дополнительно расположен между контактным слоем второго электрического типа , 306, и связывающим слоем , 304, эпитаксиального кристалла. Как показано на фиг. 7A, связующий слой 304 на разрезанном эпитаксиальном чипе и связующий слой 356 на подложке 354 используются для фиксации эпитаксиального чипа на подложке 354 . В этом варианте осуществления размер подложки , 354, обычно больше, чем размер эпитаксиального чипа.

После того, как эпитаксиальный чип и подложка , 354, соединены, например, с помощью лазерного подъема или шлифования используется процесс удаления эпитаксиальной подложки , 340, , таким образом обнажая нелегированный полупроводниковый слой , 314, и первый электродный слой электрического типа , 322, эпитаксиальной структуры , 322, . Затем, как показано на фиг. 7B, токопроводящие выводы , 358, и , 360, сформированы, чтобы соответственно соединить электродный слой первого электрического типа , 322, и электрод внешней цепи, а также связующий слой , 356, и другой электрод внешней цепи, таким образом завершая изготовление светодиодного устройства 300 c .Два электрода внешней цепи имеют разный электрический тип, и электрический тип двух электродов соответствует электрическому типу электродного слоя подключенного светодиодного устройства 300 c . Например, когда электродный слой первого электрического типа 322 является электродным слоем n-типа, а второй электродный слой электрического типа является электродным слоем p-типа, тип электрода внешней цепи, подключенной к электродному слою первого электрического типа 322 , является n-образным. полюс, а тип электрода внешней цепи, подключенной к связующему слою , 356, , — p-полюс.

РИС. 8A и фиг. 8B — виды в разрезе процессов светодиодного устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления, когда светодиодное устройство 300 d , как показано на фиг. 8B изготовлен так же, как описание варианта осуществления со ссылкой на фиг. С 6А по фиг. 6D, множество эпитаксиальных чипов, показанных на фиг. 6D может быть сформирован на пластине. Затем эпитаксиальные чипы, сформированные на пластине, вырезаются и отделяются.

После этого предоставляется подложка 368 .Подложка , 368, может быть, например, подложкой корпуса, подложкой с высокой теплопроводностью или рамой корпуса. Затем, например, процесс осаждения используется для формирования связующего слоя , 370, , покрывающего поверхность подложки , 368, . Материал связующего слоя 370 представляет собой проводящий материал, например Au, AuSn или In. Как показано на фиг. 8A, связующий слой 304 на разрезанном эпитаксиальном чипе и связующий слой 370 на подложке 368 используются для фиксации эпитаксиального чипа на подложке , 368, .В этом варианте осуществления размер подложки , 368, обычно больше, чем размер эпитаксиального чипа.

После этого, например, применяется процесс лазерного подъема или шлифования для удаления эпитаксиальной подложки 340 , обнажая таким образом нелегированный полупроводниковый слой 314 , первый слой электрода электрического типа 322 и второй Электродный слой электрического типа 346 эпитаксиальной структуры 328 . Затем, как показано на фиг.8B, токопроводящие выводы , 362, и , 364, сформированы, чтобы соответственно соединить электродный слой первого электрического типа , 322, и электрод внешней цепи, а также второй электродный слой электрического типа , 346, и другой электрод внешней цепи. , завершая изготовление светодиодного устройства 300 d . Два электрода внешней цепи имеют разный электрический тип.

При изготовлении светодиодных устройств 300 c и 300 d , поскольку вырезанный светодиодный чип располагается на подложке корпуса или раме, в последующих процессах выпускной канал не требуется будет дополнительно изготовлен для вентиляции газа, образующегося в процессе удаления ростового субстрата с помощью лазерного подъема.Следовательно, два варианта осуществления при использовании могут увеличить коэффициент использования светоизлучающей области светодиодного кристалла.