De la inventarea tranzistorului î n 1947, tehnologia a progresat rapid, pregătind trecerea [627751]

INTRODUCERE :

De la inventarea tranzistorului î n 1947, tehnologia a progresat rapid, pregătind trecerea
către produse mai puternice, mai eficiente din punct de vedere a randamentului energetic și cu un
raport performanță/preț optim.
Fig. 0.1 Evolutia tranzistoarelor intre anii 1947 si 2011 [ 1]

In anul 2011 apare o alternative la MOSFET -urile traditionale de siliciu, MOSFET -urile din
carbora de siliciu care prezinta mai multe avantaje 😮 tensiun e de blocare mai ridicate , o
rezistent a mai mic a drena -sursa , de aproximativ 300-400 de ori mai mică decât cea a
dispozitivelor de siliciu , si a unei conductivitati termice mai mari . MOSFET -ul SiC fiind o
alternativ a mai buna inlocuind astfel MOSFET U-urile de siliciu si IGBT -uri in unele aplicatii.

Fig. 0.2 [2]

In lucrarea de fata se urmareste avantajele unui commutator hibrid cu o configuratie in pararlel a
unui MOSFET din carbora de siliciu cu un IGBT de siliciu , respective a unui MOSFET din
siliciu cu un IGBT de sliciu

Solu ții existente în literatura de specialitate

Multi cercetatori cred ca un rol foarte important in viitorul electronici o sa -l joace carbura de
siliciu, mai ales in dispozitivele electronice de putere. Interesul pentru carbora de siliciu a crescut
foarte mult in ultimii ani , de cand s -a observant ca acest nou semiconductor are un randament
mai bun de conductibilitate la puteri mari , densitate mai mica si o conductivitate mai buna a
caldurii fata de semiconductoarele pe baza de siliciu
Fig. 0.3 Randamentul si densitatea carburi de siliciu in raport cu s iliciul [3]

O caracteristica a MOSFET -ului de carbur a de siliciu in raport cu dispozitivele pe baza de
siliciul este g estionarea sarcinilor electrice de puteri mari in t imp ce functioneaza la frecvente de
comutatii inalte. Prezinta o foarte buna functiona re la temperatur i de cel putin 200 C, adica cu o
diferenta de 50 C fata de temperature maxima admisa de un MOSFET de siliciu. Uneori aceasta
temperature poate ajunge pana la 400 C sau mai mult.

2. Simbol și structura de functionare ale tranzistoarelor Si-MOSFET ,
SI-IGBT, SiC -MOSFET .

Tranzistoarele Si-MOSFET fac parte din dispozitivele semiconductoare de putere cu grilă MOS sunt
comandate în tensiune deoarece au terminalul de comandă (grila) integrat într -o structură de tip
Metal -Oxid -Semiconductor.
În Fig.0.4 sunt prezentate simbolul și structura a unu tranzistor Si-MOSFET de putere cu canal de tip n.

Fig.0.4 Simbolul (a) ș i structura semiconductoare (b) a unui tranzistor Si-MOSFET
de putere cu canal de tip n.[4]

Dupa cum se poate observa in imagin a din Fig.0.4 terminalele de forta sunt numite Drena (D), respectiv
Sursa (S) pentru o functionare corec ta este nevoie de a respecta polarizarea din Fig 0.4. Tensiunea de
comanda notata cu u GS se aplica pe grila (G) si sursa (S). Prin intermediul acesteia poate fi controlat
curentul prin tran zistor numit current de drena i D. Pentru tranzistoarele Si-MOSFET de putere cu canal de
tip n tensiunea grila -sursa trebuie sa fie pozitiva(u GS> 0) pentru ca tranzistorul sa fie adus in starea de
conductie.

Tranzistoarele Si -IGBT(transistor bipolar cu grila izola ta) au rezultat in urma sintetizarii pe o pastila de
siliciu a unui dispozitiv capabil sa asimileze atat avantajele tranzistoarelor bipolare cat si ale
tranzistoarelor unipolare de tip MOSFET.
Fig.0.5 Evolutia in timp a simbolului unui transisto r Si-IGBT cu canal de tip n[4]

Dupa cum se poate observa in Fig.0.5 (a) singura deosebire fata de simbolul tranzistorului MOSFET cu
canal de tip n Fig.0.4 (a) o reprezinta prezenta unei sageti al carei varf indica sensul de injectie a
sarcinilor din strat ul suplimentar p+. Daca utilizam simbolul din Fig.0.5 (a) terminalele de forta poarta
denumirea de Drena (D) , respective Sursa (S), iar curentul prin tran zistor va fi de drena (i D). Simbolurile
din Fig.0.5 (b) si (c) prezinta tranzistorul de forta IGBT pe o structura de tip MOS in partea de comanda si

ca o structura bipolara in partea de forta . Daca utilizam aceste simboluri terminalele de forta se vor numi
Colector (C), respectiv Emitor (E), iar curentul prin transistor va fi de collector (i c). Pentru toate
simbolurile din Fig.0.5 terminalul de comanda poarta numele de Grila , notat cu (G) .

Fig.0. 6 Structura semiconductoare a unui tranzistor Si -IGBT de putere cu canal de tip n.[ 4]

Dupa cum rezulta din compara tia structurii semiconductoare a unui transistor SI -IGBT de putere cu canal
de tip n din F ig.0.6 cu structura semiconductoare a unui transistor de putere MOSFET de tip n Fig.0.4 se
poate observa ca singura diferenta este stratul suplimentar p+ numit de inj ectie care se aseaza in partea
colectorului peste stratul de tip n+.

Tranzistoarele Si C-MOSFET au rezultat in urma saturatiei procesului tehnologic , specialistii din
domeniul semiconductoarelor au observant ca dispozitive le pe substrat de siliciu au atins limita lor fizica ,
astfel ei s -au indreptat spre noi compusi chimici pentru a putea produce dispositive semicomandate mai
peroformante.

Fig.0.7 Simbolul unui SiC -Mosfet .[5] Fig.0.8 Structura semiconductoare a unui tranzistor
Si-IGBT de putere cu canal de tip n. [6]

Din Fig.0. 7 de mai sus se obsearva ca terminalele de forta sunt denumite Drena (D), respectiv
Sursa (S) , iar tensiun ea de comanda se aplica pe Grila(G) identic cu comanda unui Si -MOSFET.
Singura diferenta care se poate observa din Fig.0.8 este subtratul de carbura de siliciu care se
gaseste intre drena si substratul n-.

3.Analizarea si functionarea unui Si -IGBT si a u nui SiC -MOSFET in paralel.

Conectarea in paralel a unui tranzistor de putere Si -IGBT cu un SiC -MOSFET o sa -l numim
comutator hibird.
Comutatorul h ibrid combina pierderea regasita in conductia unui tranzistor Si-IGBT si pierderea
de comutatie aparuta la tranzistorul SiC -MOSFET. Acest commutator h ibrid este foarte
promitator deoarece creste performantele considerabil si inbunatateste densitatea de putere a unui
convertor de putere .

Fig.0.9 Schema unui commutator hibrid realizat dintre un Si -IGBT si un SiC -MOSFET

Dispozitivele de putere din comutatorul hibrid au o tensiune diferita de comanda aplicata pe grila
(G) , lucru care va permite comutarea [7]

BIBLIOGRAFIE

1. https://sparkpi.co.uk/img/transitor -infographic.jpg

2. https://micro.rohm.com/en/techweb/upload/2017/05/SIC_161220_03.gif

3.http://www.semiconductor -today.com/features/PDF/semiconductor -today -apr-may-2017 -Benef
its-and-advantages.pdf

4. http://www.euedia.tuiasi.ro/lab_ep/ep_files/Lucrarea_5_img.pdf

5. https://docs.rs -online.com/3ef6/0900766b8149fd3d.pdf

6. https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/ayalew/node92.html

7. https://ieeexplore.ieee.org/document/8859580