СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 2
1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ… 4
1.1 Классификация и условныеобозначения полупроводниковых диодов. 6
1.2 Параметры полупроводниковыхдиодов. 8
1.3 Силовые полупроводниковыевыпрямительные диоды… 10
1.5 Низкочастотные параметры диода. 19
2 РАСЧЕТ и исследование мощныхнизкочастотных диодов на основе кремния… 22
2.1 Расчет параметров диода. 22
2.2 Расчет вольтамперныххарактеристик при малых плотностях тока. 22
2.3 Модуляция базы при высокихуровнях инжекции. 24
2.4 Время жизни ННЗ: включениедиодов и спад послеинжекционной эдс. 25
2.4 Особенности переходныххарактеристик диодов с р-базой. 27
2.6 Расчет ВАХ привысоких плотностях прямого тока: влияние электронно-дырочного рассеяния 28
2.7 Методы производства диодов. 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 32
ВЫВОДЫ… 33
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ… 34
ВВЕДЕНИЕ
Силовая электроника первоначально возникла как областьтехники, связанная преимущественно с преобразованием различных видовэлектроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшемдостижения в области полупроводниковых технологий позволили значительнорасширить функциональные возможности, силовых электронных устройств исоответственно области их применения.
Однако, несмотря на интенсивное расширение функций аппаратовсиловой электроники и областей их применения основные научно-техническиепроблемы и задачи, решаемые в области силовой электроники, связаны с.преобразованием электрической энергии.
Электроэнергия используется в разных формах: в видепеременного тока с частотой 50 Гц (за исключением США и некоторых других стран,где за основную принята частота 60 Гц) в виде постоянного тока (свыше 20% всейвырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты илитоков специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основномобусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев(например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источниковэлектроэнергии.
Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемойэлектроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видамипреобразования электроэнергии являются:
1) выпрямление (преобразование переменного тока впостоянный);
2) инвертирование (преобразование постоянного тока впеременный);
3) преобразование частоты (преобразование переменного токаодной частоты в переменный ток другой частоты).
Существует также ряд других, менее распространенных видовпреобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаяхиспользуется комбинация нескольких видов преобразования. Кроме того,электроэнергия может преобразовываться с целью улучшения качества ее параметров,например для стабилизации напряжения или частоты переменного тока. i
Основными элементами силовой электроники, ставшими базой длясоздания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы.Проводимость большинства полупроводниковых приборов в существенной мере зависитот направления электрического тока: в прямом направлении их проводимостьвелика, в обратном – мала (т. е. полупроводниковый прибор имеет два явновыраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемымии управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокойпроводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности.Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковыхприборов и их использованию для преобразования электроэнергии были работыакадемиков В. Ф. Миткевича, Н. Д. Папелекси и др.
1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор содним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в которомиспользуется то или иное свойство электрического перехода.
В качестве выпрямляющего электрического перехода вполупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереходили выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом иполупроводником (переход Шотки).
В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кромевыпрямляющего перехода должно быть два омических перехода, через которые p- иn-области диода соединены выводами (рис. 1.1, а). В диоде с выпрямляющимэлектрическим переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всегоодин омический переход (рис. 1.1, б).
/>
Рисунок 1.1 — Структура полупроводниковых диодов:
а) с выпрямляющим электрическим переходом в виде p-nперехода;
б) с выпрямляющим электрическим переходом на контакте междуметаллом и полупроводником;
В — выпрямляющие электрические переходы;
Н – невыпрямляющие (омические) переходы.
Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные p-nпереходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходитпонижение потенциального барьера в p-n переходе, то есть при прямом направлениидля p-n перехода, количество носителей заряда, инжектированных изсильнолегированной в слаболегированной область, значительно больше, чемколичество носителей, проходящих в противоположном направлении. Областьполупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этойобласти носителей заряда, называют базой диода. Следовательно, в диоде базовойобластью является слаболегированная область [4].
Если к диоду с несимметричным p-n переходом приложенонапряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-nпереходе, то есть в обратном направлении для p-n перехода, то экстракциянеосновных носителей заряда будет происходить в основном из базы диода. Такимобразом, база диода может оказывать существенное влияние на характеристики ипараметры диода.
В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющегоэлектрического перехода и характеристической длины различают плоскостные иточечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая позначению из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионнаядлина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.
Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры,определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно большехарактеристической длины.
Точечным называют диод, у которого линейные размеры,определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньшехарактеристической длины.
В выпрямляющем электрическом переходе и прилегающих к немуобластях происходят разнообразные физические процессы, которые могут приводитьк эффекту выпрямления, к нелинейному росту тока с увеличением напряжения, клавинному размножению носителей заряда при ударной ионизации атомовполупроводника, к туннелированию носителей сквозь потенциальный барьервыпрямляющего p-n перехода как при обратном, так в определенных условиях и припрямом напряжении, к изменению барьерной емкости с изменением напряжения, кэффекту накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в прилегающих квыпрямляющему переходу областях. Все эти эффекты используют для созданияразличных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных, смесительных,переключательных и детекторных, диодов с резким восстановлением обратногосопротивления, стабилитронов, стабисторов, шумовых, лавинно – пролетных,туннельных и обращенных диодов, варикапов. Некоторые из перечисленных эффектовявляются нежелательными и даже вредными в одних диодах, но в других диодах эти,же эффекты могут служить основой принципа действия [4]. 1.1 Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов
Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многимпризнакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов,предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функцийи отличающиеся друг от друга по конструкции.
Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее изкристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее двавывода.
Классификация диодов производится по следующим признакам:
1) По конструкции:
- плоскостныедиоды;
- точечныедиоды;
- микросплавныедиоды.
2) По мощности:
- маломощные;
- среднеймощности;
- мощные.
3) По частоте:
- низкочастотные;
- высокочастотные;
- СВЧ.
4) По функциональному назначению:
- выпрямительныедиоды;
- импульсныедиоды;
- стабилитроны;
- варикапы;
- светодиоды;
- тоннельныедиоды и так далее.
У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь n — перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодовэти размеры значительно больше толщины перехода.
Точечные диоды имеют малую емкость n — перехода (обычноменее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могутпропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды взависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтомуих применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток вплоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.
Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинкиполупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объемеправильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ дляточечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а впоследнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.
/>
Рисунок 1.2. — Принцип устройства точечного диода
Принцип устройства точечного диода показан на рис. 1.2.Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью привариваетсяпри помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типомэлектропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируютпримеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этотпроцесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы образуетсяминиатюрный n-р-переход полусферической формы. Следовательно, разница междуточечными и плоскостными диодами заключается в площади n — перехода [6] . 1.2 Параметры полупроводниковых диодов
Рабочий интервалтемператур.
При повышении температуры растет собственнаяэлектропроводность проводника (увеличивается генерация пар носителей зарядаэлектрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.
Максимально допустимая температура перехода тем больше, чемшире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимыйинтервал температур окружающей среды лежит в пределах />,а для кремниевых в пределах />.При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так иобратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристаллаиз-за увеличивающейся хрупкости.
Допустимоеобратное напряжение />
Обычно за допустимое обратное напряжение принимаетсявеличина:
/>
где />-напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.
Значение />зависитот температуры и от удельного сопротивления полупроводника />.Последнее объясняется тем, что напряженность поля p-n перехода, а значит инапряжение пробоя зависят от ширины перехода, которая в свою очередь зависит отконцентрации примесей, т.е. от удельного сопротивления полупроводника. Так какp-n переход тем шире, чем больше удельное сопротивление полупроводника, то и />будеттем больше, чем больше удельное сопротивление исходного материала.
Если требуется получить большое выпрямленное напряжение, прикотором к диоду будет приложено обратное напряжение большее, чем допустимое,применяют последовательное включение диодов. Так как величины обратныхсопротивлений диодов не одинаковы, то обратные напряжения при последовательномвключении распределяются между диодами неравномерно и диод, имеющий большееобратное сопротивление, может быть пробит. Во избежание этого каждый изпоследовательно включенных диодов шунтируют сопротивлением такой величины,чтобы распределение напряжений на диодах в основном определялось этимисопротивлениями.
Допустимыйвыпрямленный ток />
Так как при протекании тока возрастает температура перехода,то величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой перехода.Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой величины, можновключить несколько диодов параллельно. Так как диоды обладают разным прямымсопротивлением, то токи распределяются равномерно и может оказаться, что ток,протекающий через диод с наименьшим сопротивлением, превысит допустимоезначение. Во избежание этого последовательно с каждым из диодов включаетсясопротивление.
Предельнодопустимая мощность рассеивания />.
Предельно допустимая мощность рассеивания зависит отконструкции диода, так и от температуры окружающей среды, т.е. от условийохлаждения.
Очевидно, что рабочие режимы в схемах надо выбирать так,чтобы:
/>
где I — ток, протекающий через диод,
U — напряжение, приложенное к диоду./>/> 1.3 Силовые полупроводниковые выпрямительные диоды
Силовой (мощные) полупроводниковый выпрямительный диод(далее просто диод) представляет собой полупроводниковую структуру, состоящуюиз двух граничащих между собой слоев полупроводника дырочного р- и электронногоn-типов, образующих один электронно-дырочный переход (рис. 1.3). Стороны слоевполупроводниковой структуры, противоположные сторонам, образующим р-n-переход, соединены с металлическими контактами, образующимивнешние контактные выводы диода. Вывод, соединенный с р-слоем структуры,называется анодным выводом диода А, а вывод, соединенный с n-слоем структуры, катоднымвыводом диода К. На этом же рисунке приведено символическое изображение диода.
/>
Рисунок 1.3. — Структура (а, б) и обозначение (в) силовогодиода
Выпрямительные диоды применяются для преобразованияпеременного тока низкой частоты (до 50кГц) в ток одного направления(выпрямление переменного тока). Обычно рабочие частоты выпрямительных ПД малойи средней мощности не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности — 50 Гц.
Возможность применения p-n перехода для целей выпрямленияобусловлено его свойством проводить ток в одном направлении (ток насыщенияочень мал).
В связи с применением выпрямительных диодов к иххарактеристикам и параметрам предъявляются следующие требования:
а) малый обратный ток />;
б) большое обратное напряжение;
в) большой прямой ток;
г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.
Для того чтобы обеспечить эти требования, выпрямительныедиоды выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещеннойзоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным сопротивлением, чтоувеличивает допустимое обратное напряжение. Для получения в прямом направлениибольших токов и малых падений напряжения следует увеличивать площадь p-nперехода и уменьшать толщину базы.
Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) икремния (Si) с большим удельным сопротивлением, причем Si является наиболееперспективным материалом.
Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большуюширину запрещенной зоны [1], имеют во много раз меньшиеобратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности,отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше.Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока впрямом направлении.
Зависимость вольтамперной характеристики кремниевого диодаот температуры показана на рис.2.2.
/>
Рисунок 1.4 — Вольтамперная характеристика полупроводниковогодиода
Из рисунка 1.4 следует, что ход прямой ветви вольтамперныххарактеристик при изменении температуры изменяется незначительно. Этообъясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменениитемпературы практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированыуже при комнатной температуре.
Количество неосновных носителей заряда определяетсятемпературой и поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильнозависит от температуры, причем эта зависимость резко выражена для германиевыхдиодов. Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта зависимостьопределяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счетударной ионизации /> возрастаетпри повышении температуры. Это объясняется тем, что при повышении температурыувеличиваются тепловые колебания решетки, уменьшается длина свободного пробеганосителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточнуюдля ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е.увеличить приложенное к p-n переходу обратное напряжение. При тепловом пробое /> приповышении температуры уменьшается.
В некотором интервале температур для германиевых диодовпробой чаще всего бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а длякремниевых диодов — электрическим. Это определяет значения /> призаданной температуре. При комнатной температуре значения /> длягерманиевых диодов обычно не превышают 400В, а для кремниевых — 1500В.
В зависимости от полярности приложенного к внешним выводамдиода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний:непроводящем состоянии (р-n переход смещен в обратномнаправлении) и проводящем состоянии (р-n переход смещенв прямом направлении), при условии, что значения приложенного напряжения ипротекающего тока будут находиться в допустимых пределах. При измененииполярности напряжения, приложенного к внешним выводам, диод может находиться вдинамическом состоянии выключения (смещение р-n перехода изменяется с прямогона обратное) и в динамическом состоянии включения (смещение р-n переходаменяется с обратного на прямое). Реальный силовой диод имеет структуру,показанную на рис. 2.1, б. Рассмотрим (упрощенно) процессы, происходящие вдиоде при различной полярности приложенного к нему напряжения.
Непроводящее состояние силового диода. Под воздействиемобратного напряжения UR в диоде происходит расширение ООЗ (областиобъемного заряда), которое продолжается до тех пор, пока падение напряжения вООЗ не станет равным UR, при этом особенность силовых диодов такова,что расширение ООЗ происходит в основном в сторону низкоомной n-области,называемой базой диода. В связи с тем что ширина ООЗ wsc связана свеличиной UR известным соотношением [5]
wsc=0,52√pUR, (1.1)
где wsc выражена в микрометрах, р — удельноесопротивление материала n-базы дано в омах на сантиметр и UR-в вольтах,становится ясно, что чем более высоковольтным является диод, тем толще ондолжен быть. Существует ряд факторов, ограничивающих максимально возможноеобратное напряжение, которое может быть приложено к диоду. Одним из важнейшихдля силовых диодов оказывается явление лавинного пробоя. Суть его состоит вследующем. По мере увеличения прикладываемого к диоду напряжения растет нетолько ширина ООЗ, но и максимальное электрическое поле внутри этой области.Когда напряженность этого поля начинает превосходить некоторые критическиезначения (обычно лежащие в диапазоне (0,5-1)·105 В/см), возникаетлавинное умножение носителей. (Физически этот процесс обусловлен тем, чтоэнергия, приобретаемая подвижным носителем заряда под действием поля за времясвободного пробега, становится достаточной для генерации электронно-дырочнойпары. В свою очередь, возникшие электрон и дырка вновь разгоняются и рождаютещё по паре носителей и т. д.) В результате лавинного умножения ток через диодлавинообразно нарастает. Обычно явление лавинного умножения описывают, вводякоэффициенты размножения дырок Мр и электронов Мn, определяемые по довольно сложным формулам [6].
Другими важными факторами, ограничивающими напряжение,которое может быть приложено к диоду, являются процессы, происходящие на егоповерхности. Дело в том, что, если не принимать специальных мер, пробой вблизиповерхности полупроводника наступает значительно раньше, чем в его объеме.Чтобы избежать этого, силовые диоды имеют специальный профиль поверхности — фаску (рис. 1.5), которая позволяет избежать наступления поверхностного пробоя.
/>
Рисунок 1.5 — Геометрия реального высоковольтного диода
Ток через диод IR к которому приложено обратноенапряжение, складывается в общем случае из трех компонент: диффузионного тока Id,тока генерации в ООЗ Isc и тока поверхностной утечки Is:
IR = Id+Isc+Is.
Каждая из компонент IR по-разному зависит оттаких внешних факторов, как напряжение и температура. Кроме того, если длядиффузионного и генерационного токов их теоретические зависимости оттемпературы и напряжения известны [9], то построить такую зависимость дляповерхностного тока пока не удалось. Среди причин этого следует указать на тотфакт, что в ток Is входят токи утечек через неконтролируемые примесина поверхности диода. К этому следует добавить, что все теоретические формулыпозволяют рассчитать плотности соответствующих токов, однако для расчетаполного тока надо еще знать площадь, через которую соответствующий токпротекает. К сожалению, эта величина обычно не известна, так как есть вескиеоснования считать, что ток IR может протекать не по всей площади диода. Все этоприводит к тому, что ток IR рассматривают обычно как сугубо экспериментальнуюхарактеристику диода. Его температурную зависимость чаще всего аппроксимируютвыражением [2]
IR(T)=IR(T0)ехр[а(T-T0)], (1.2)
где IR(T)-ток IR при температуре полупроводника, равной Т; акоэффициент, лежащий в диапазоне 0,03-0,08 К-1.
В отличие от вольтамперной характеристики (ВАХ), показаннойна рис. 1.4, в реальных высоковольтных диодах часто не наблюдают резкого изломаВАХ, т. е. зависимость тока от напряжения. ВАХ такого вида называют «мягкой»характеристикой.
Проводящее состояние силового диода.
Под воздействием прямого напряжения потенциальный барьеруменьшается, в результате чего концентрация неосновных носителей у границ р-n перехода (дырок в n-области и электронов в р-области)экспоненциально возрастает. Это явление называют инжекцией неосновных носителейзаряда. Инжектированные носители начинают диффундировать в глубь полупроводникавозникает ток через диод. Приборы имеют толстую базу, падение потенциала накоторой приводит к весьма сложной связи между плотностью прямого тока черездиод и падением напряжения UF на нем [4]. Нам достаточно отметитьследующее.
Самой распространенной практической аппроксимацией ВАХ диодав прямом направлении является линейная аппроксимация [4]
UF=UFO + rFIF, (1.3)
где UFO-nороговое напряжение диода; rF-дифференциальноепрямое сопротивление диода.
Cтепенная аппроксимация ВАХ, котораяв некоторых случаях может оказаться более близкой к экспериментальным данным:
U=KINF, (1.4)
где К и N-константы. Значения N в случае использованияаппроксимации лежат в диапазоне 0,3-0,8. На рис. 1.6 приведены реальная ВАХтиристора типа Т173-1250 и ее линейная и степенная аппроксимации.
/>
Рисунок 1.6 — Вольт-амперная характеристика тиристора типаТ173-1250 в открытом состоянии и ее линейная (–·–·–) и степенная (------)аппроксимации: Uт = 0,119i0,32
С ростом температуры прямое падение напряжения, как правило,увеличивается. Эту зависимость обычно получают из эксперимента, так каккорректная теоретическая модель температурной зависимости прямого падениянапряжения в настоящее время отсутствует.
Важным для понимания работы диода является то, что прибольших плотностях тока в его слоях происходит накопление подвижных носителейзаряда. Явление накопления заряда, как показано далее, существенно влияет напроцесс выключения силового диода, при этом основное влияние на характеристикидиода оказывает накопленный в n-базе заряд дырок: Qp. Этообусловлено относительно большей инжекцией из более сильнолегированного р-слоя,меньшей подвижностью дырок по сравнению с электронами, большей толщиной n-слояи большим временем жизни дырок в нем.
Накопленный заряд Q зависит от прямого тока через диод и встационарных условиях остается постоянным, так как процесс инжекции неосновныхносителей заряда уравновешивается процессом их рекомбинации.
Переходный процесс включения силового полупроводниковогодиода. Под процессом включения диода понимается динамический процесс переходадиода из непроводящего состояния в проводящее.
При изменении полярности напряжения источника с обратной напрямую из-за инжекции неосновных носителей заряда электропроводностьполупроводниковой структуры диода резко увеличивается и через него начинаетпротекать прямой ток IF. Физические процессы в самом диоде могутоказывать влияние на процесс нарастания прямого тока только при временах донескольких десятков микросекунд. За это время заканчивается процесс модуляциипроводимости диода, после чего скорость нарастания прямого тока, а также егоустановившееся значение определяются напряжением источника питания исопротивлением внешней цепи (при условии, что прямым напряжением на диоде можнопренебречь из-за его малости).
Отметим, что между нарастающим прямым током в процессеустановления проводящего состояния диода и падением напряжения на немнаблюдается емкостный сдвиг по фазе, обусловленный наличием диффузионнойемкости Сd Эта емкость определяется как отношение приращения зарядаизбыточных неосновных носителей, накопленных в р- и n-слоях структуры, ксоответствующему приращению прямого напряжения на р-n переходе.1.5 Низкочастотные параметры диода
Сопротивление диодапредставляет собой простоедифференциальное сопротивление диода, то есть сопротивление диода маломупеременному току при постоянном смещении.
Диффузионную емкость обычно связывают с изменением зарядаинжектированных носителей при изменении напряжения на диоде. Действительно,инжектированные носители в течение некоторого времени существуют в областяхдиода, примыкающих к p-n – переходу. При изменении напряжения частьнакопленных неосновных носителей может возвратиться в p-n – переход и пройтичерез него в соседнюю область. Образующийся при этом ток аналогичен емкостномутоку.
Однако к этому требуются некоторые пояснения и дополнения.Дело в том, что при инжекции области, примыкающие к p-n – переходу,остаются нейтральными, то есть никакой суммарный заряд в них не появляется.Нейтрализация заряда происходит из-за подхода основных носителей в те области,куда произошла инжекция неосновных носителей. Нейтрализация устанавливается заочень малый промежуток времени – порядка времени максвеловской илидиэлектрической релаксации (обычно 10-11…10-12 с). Таккак концентрация основных носителей относительно велика и необходимое ихколичество пополняется невыпрямляющим контактом, нейтрализация получаетсяпрактически полная. Следует заметить, что нейтрализуется не только заряд всреднем по всей области, но и заряд в каждой точке, т.е. выполняется условиелокальной электрической нейтральности.
Несмотря на то, что при инжекции примыкающие к p-n –переходу области не заряжаются, диффузионную емкость можно связать с зарядоминжектированных носителей, так как инжектированные неосновные носители инейтрализующие их основные носители не исчезают. Для сравнения вспомнить, что иобычный конденсатор в целом электрически нейтрален. Но в обычном конденсатореположительные и отрицательные заряда пространственно разделены (то же самоеможно сказать и о p-n – переходе при рассмотрении его барьерной емкости), в товремя как при инжекции через p-n – переход и положительный, и отрицательныйзаряда оказываются в одной и ой же области и пространственно не разделяются, врезультате чего не возможно обнаружить область, где проходят токи смещения.
Следовательно, диффузионную емкость можно связать сизменением заряда инжектированных неосновных носителей, но нельзя связать спроисхождением тока смещения. В этом существенное физическое отличиедиффузионной емкости от барьерной емкости p-n – перехода и от емкости обычногоконденсата.
Диффузионную емкость можно представить следующим образом:
/> (1.5)
Постоянная времени. Если продолжить аналогиюполупроводникового диода с конденсатором, то можно выяснит физический смыслпостоянной времени Cдиф. Для конденсатора постоянная временипоказывает, за какое время его заряд уменьшается в e раз, т.е.постоянная времени характеризует время исчезновения заряда конденсатора.
Постоянная времени диода с толстой базой при низкой частотетоже характеризует время исчезновения заряда. Действительно, — время жизнинеосновных носителей – как раз и показывает, в течение какого времениконцентрация неосновных носителей измениться в е раз из-за рекомбинации.
Для диода с тонкой базой при низкой частоте постояннаявремени равна /> (1.6)
2. РАСЧЕТи исследование мощных низкочастотных диодов на основе кремния
2.1 Расчет параметров диода
Проведемрасчет и исследования статических и динамических характеристик 4H-SiC p+-п0-n+ диодов, рассчитанных на обратное напряжение 6, 10 и 20 кВ иобозначаемых далее как 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диоды. Концентрация примесей всильно легированных эмиттерных областях составляет ~ 1019 см−3,уровень легирования и толщина базы n-типа определяются максимальным блокируемым напряжением(см. табл. 1).
Таблица 1- Параметры структуры 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ 4H-SiCр+-n0-п+ диодов Концентрация доноров в базе, см−3 Толщина базы, мкм 6-кВ 1·1015 50 10-кВ 3·1014 150 20-кВ 3·1014 200 2.2 Расчетвольтамперных характеристик при малых плотностях тока
В 4H-SiC диодах прималых плотностях тока основную роль играют генерация и рекомбинация носителей вобласти пространственного заряда (ОПЗ) р-n-перехода и ихдиффузионный перенос через базу. В диодах практически отсутствуют«избыточные» токи, связанные с различного рода неоднородностямиструктуры и обусловленные, например, механизмами полевого и термополевоготуннелирования. На рис. 2.1 в качестве примера показаны прямые вольтамперныехарактеристики (ВАХ) 6-кВ диода, измеренные при температурах 297 и 537 K вдиапазоне плотностей прямого тока jпр= 10−7−1А/см2. В указанном интервале плотностей тока ВАХ хорошоаппроксимируются суммой рекомбинационного (jрек) и диффузионного (jдиф) токов с учетомомического падения напряжения на базе диода jпрrб, где rб — сопротивлениебазы):
jпр = jрек + jдиф = jобрexp(qVpn/2kT) + jкбexp(qVpn/kT) (2.1)
V = Vpn+ jпрrб.
Обратный ток в исследованных 4H-SiC диодах прикомнатной температуре настолько мал, что находится за пределамичувствительности измерительной аппаратуры.
/>
Рисунок2.1 — Прямые ВАХ 6-кВ диода при низких плотностях тока. Т= 297K: jобр= 2.3 ∙ 10−24А/см2, jкб = 1.5 ∙ 10−45 А/см2, rб= 7.4∙10−2Ом∙см2, T = 537K: jобр = 1 · 10-11 А/см2, jэб = 3∙10−21 А/см2, rб = 1.7 · 10-1Ом ∙ см2.
Заметныйобратный ток появляется лишь при температурах свыше 600 K. На рис. 2.2 показанаобратная
ВАХ 6-кВдиода, измеренная при температуре 685 K. Как видно из этого рисунка, jк∞ (Vбэ + V)1/2(Vбэ — контактнаяразность потенциалов р—n-перехода). Таким образом, обратный ток обусловлентермической генерацией носителей в ОПЗ р—n-перехода.
/>
Рисунок2.2 — Обратная ВАХ 6-кВ диода при Т = 685 K. 2.3 Модуляция базы при высоких уровнях инжекции
На рис. 2.3 показаны импульсныеквазистатические ВАХ 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диодов, измеренные при средних ивысоких плотностях прямого тока. Как нетрудно убедиться, в 6-кВ и 10-кВ диодахреализуется достаточно глубокая модуляция базы инжектированными носителями.Так, например, при плотности прямого тока 180 А/см2 дифференциальноесопротивление 10-кВ диода rб = dV/djпр = 1.6 ∙ 10−2 Ом ∙ см2,в то время как омическое сопротивление нeмодулированной базы rб = W/qμпnо= 0.39 Ом ∙ см2(μп = 800см2/Вс, n0= 3 ∙ 1014см−3), т.е. в24 раза больше измеренного дифференциального сопротивления.
/>
Рис. 2.3 — Импульсные квазистатические прямые ВАХ 6-кВ, 10-кВ и20-кВ диодов. Т = 293 K.
Для 6-кВдиода омическое сопротивление немодулированной базы rб= 6.5 ∙ 10−2Ом∙ см2 в 16 раз больше, чем rб = 4.1 ∙ 10−3Ом ∙ cм2. Такая ситуация свидетельствует о достаточно большихвеличинах коэффициента инжекции эмиттера и времени жизни ННЗ в базе диодов.
С целью определения времени жизниННЗ изучались переходные процессы в диодах: установление прямого падениянапряжения при пропускании ступеньки прямого тока, спад послеинжекционной эдспосле обрыва тока, восстановление блокирующей способности диодов после ихпереключения из проводящего состояния в блокирующее [16]. 2.4 Время жизни ННЗ: включение диодов и спад послеинжекционной эдс
На рис. 2.4показана осциллограмма напряжения на 6-кВ диоде при пропускании прямого тока,быстро нарастающего от нуля до 5 A. Реакция диода на ступеньку тока имеет „индуктивный" характер, что свидетельствуето накоплении в базе высокой концентрации ННЗ. На зависимости V(t) вначале наблюдается всплеск напряжения, амплитуда которогоопределяется сопротивлением немодулированной базы, а затем, по мере накопленияННЗ в базе напряжение падает до стационарного значения, определяемогосопротивлением модулированной базы. Время установления стационарного состояния(по порядку величины оно сравнимо с временем жизни ННЗ [12]) составляет около0,6 мкс.
/>
Рис. 2.4 — Осциллограммы тока и напряжения при включении 6-кВдиода.
Т = 293 K. Пунктиром показан результат расчета V(t)
Налинейном участке скорость спада эдс (∆V/∆t) обратно пропорциональна времени жизни τинжектированных в базу ННЗ [19]:
/> (2.2)
где кТ— тепловая энергия. При комнатной температуре рассчитанная таким способомвеличина τ составляет 0,6 мкс для 6-кВ диода и 1,55 мкс для 10-кВ и 20-кВдиодов. Принимая подвижность дырок в базе μр=117см2/В ∙ c, подвижность электронов μп=880 см2/В ∙ c, получим, что амбиполярный коэффициент диффузии Da =2(kT/q)[ μnμP/(μп+ μр)] = 5,3см2/с. Амбиполярная диффузионная длина ННЗ вбазе, La = (Daτ)1/2, составляет 17,9мкм для 6-кВдиода и 28,7 мкм для 10-кВ и 20-кВ диодов. Такие диффузионные длиныдействительно могут обеспечивать достаточно глубокую модуляцию базы в случае6-кВ и 10-кВ диодов (отношение толщины базы к диффузионной длине ННЗ W/La= 2,8 и 5,2соответственно). Однако для глубокой модуляции 200-мкм базы 20-кВ диода этогоявно недостаточно (W/La= 7.0).Следует однако заметить, что с ростом температуры время жизни ННЗ во всехдиодах возрастает в несколько раз, что приводит к уменьшению падениянапряжения, несмотря на падение подвижности носителей тока. 2.4 Особенности переходных характеристик диодов с р-базой
Доказаночто в отличие от диодов с n-базой, которые демонстрируют довольно „мягкое"восстановление блокирующей способности, диоды с р-базой могут восстанавливатьсядовольно „жестко". При одних и тех же величинах прямого тока накачки иобратного напряжения максимальный обратный ток в диодах с р-базой существеннобольше, и этот ток обрывается очень резко за время меньше одной наносекунды.
Расчетноевремя обрыва тока в диодах с р-базой оказалось равным 0,5 ± 0,05 нс, тогда какв диодах с n-базой минимальное время обрыва составляло 3 нс. Показано,что главным фактором, определяющим разный характер восстановления, являетсябольшая величина отношения подвижностей электронов и дырок в 4H-SiC, b= μn/μp.
Известно, что скорость„вытягивания" плазмы обратным током значительно выше из прианоднойобласти, чем из прикатодной (в b2раздо и в bраз послевосстановления эмиттерных переходов [9]). В карбиде кремния (р = 7,5)этот процесс проявляется даже более ярко, чем в кремнии (b = 3), и доминирует во всехтипах диодов независимо от асимметрии эффективности эмиттеров и вызванной еюначальной неоднородности распределения плазмы в высокоомной базе. В диоде ср-базой область, свободная от плазмы, возникает на аноде и, расширяясь современем, достигает катода раньше, чем успевает восстановиться переходкатодного эмиттера. В результате к моменту начала восстановления ОПЗнеравновесные носители практически полностью выносятся из базы обратным током.В этом случае граница восстанавливающейся ОПЗ будет перемещаться в отсутствиеННЗ, т.е. с насыщенной скоростью.
2.6 Расчет ВАХ при высоких плотностях прямоготока: влияние электронно-дырочного рассеяния
На рис. 2.5показаны ВАХ 6-кВ диода, измеренные при температурах 293−553 K доплотностей тока j = 104А/см2. Как видно, при достаточно больших плотностях тока имеет место„инверсия" температурной зависимости ВАХ. Точка инверсии приходится наобласть плотностей тока 2000−3000 А/см2, что более чем напорядок превышает плотность тока инверсии для аналогичных кремниевых структур.Для объяснения этого результата необходим анализ вклада различных нелинейныхэффектов, определяющих вид ВАХ в области больших плотностей тока. К нимотносятся эффекты, связанные с высоким уровнем легирования эмиттеров: сужениеширины запрещенной зоны, уменьшение подвижности основных носителей заряда,бимолекулярная и оже-рекомбинация. Кроме того, необходим учет взаимногорассеяния подвижных носителей друг на друге — электронно-дырочного рассеяния(ЭДР). Отметим, что эффекты, обусловленные ЭДР, оказываются чрезвычайносущественными в таких хорошо исследованных материалах, как Ge, Si и GaAs, так каксильно уменьшают подвижность носителей заряда в биполярных приборах при большихплотностях тока.
Дляопределения параметров ЭДР в 4H-SiC нами был предложен метод, основанный на анализе ВАХдиодных структур в области больших плотностей тока [2]. Составляющая падениянапряжения на базе Veh, обусловленная ЭДР,обычно записывается в виде
/> (2.3)
где μnp = Gp0/p — подвижность, обусловленная ЭДР. Анализ экспериментальныхВАХ диодов показал, что при Т = 293 K константаGpo, определяющаяподвижность μnpравна 5.8∙1019В−1см−1с−1, авеличина qGp0, определяющая вклад ЭДР в ВАХ, — 9.3 Ом−1см−1. Отметим, что найденные значения параметров ЭДР в SiC оказываютсяпримерно в 2 раза меньшими, чем в Si, в 4 раза меньшими, чем в Ge, и в 60 раз меньшими,чем в GaAs. Это означает, что влияние ЭДР в SiC оказывается всоответствующее число раз более эффективным, чем в Si, Ge и GaAs.
/>
Рис. 2.5 — Прямые ВАХ 6-кВ диодов.Точки — эксперимент, сплошные линии — расчет с учетом ЭДР.2.7 Методыпроизводства диодов
Кремниевые диоды обычно изготовляются из кремния n-типа сосравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке кремния привариваютпроволочку из вольфрама, покрытого алюминием. Алюминий является для кремнияакцептором. Полученная область кремния р-типа работает в качестве эмиттера.
Диоды изготовляются главным образом методами сплавления(вплавления) или диффузии (рис. 2.6). В пластинку кремния n-типа вплавляют притемпературе около 500 °С каплю алюминия, которая, сплавляясь с кремнием,образует слой кремния р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет болеевысокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительновысокоомного кремния, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке кремнияи к алюминию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходныйматериал взят высокоомный кремния р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогдаполучается эмиттерная область n-типа.
Следует отметить, что сплавным методом получают такназываемые резкие, или ступенчатые, n-р-nереходы, вкоторых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньшетолщины области объемных зарядов в переходе.
/>
Рисунок 2.6. — Принцип устройства плоскостных кремниевыхдиодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным (б) методом
Диффузионный метод изготовления n-р-nерехода основан на том,что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник. Примесное вещество приэтом обычно находится в газообразном состоянии. Для того чтобы диффузия былаинтенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чемпри методе сплавления. Например, пластинку кремния n-типанагревают до 900 °С и помещают в пары алюминия. Тогда на поверхности пластинкиобразуется слой кремния р-типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольноточно получать слой нужной толщины. После охлаждения его удаляют путемтравления со всех частей пластинки, кроме одной грани. Диффузионный слой играетроль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффузионномметоде атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основнойполупроводник, и поэтому n-р-nереход получается плавным, т. е. в нем толщинаобласти изменения концентрации примеси сравнима с толщиной ООЗ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Расширилась область применения силовых электронных устройствв сфере бытовой электроники (регуляторы напряжения и др.).
Благодаря интенсивному развитию электроники, начиналосьсоздание нового поколения изделий' силовой электроники. Базой для него явилисьразработка и освоение промышленностью новых типов силовых полупроводниковыхприборов: запираемых тиристоров, биполярных транзисторов, МОN-транзисторов идр. Одновременно существенно повысились быстродействие полупроводниковыхприборов, значения предельных параметров диодов и тиристоров, развилисьинтегральные и гибридные технологии изготовления полупроводниковых приборовразличных типов, начала широко внедряться микропроцессорная техника дляуправления и контроля преобразовательными устройствами.
Следует отметить, что использование полностью управляемыхбыстродействующих полупроводниковых приборов в традиционных схемах существенно расширяетих возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новыхфункциональных свойств изделий силовой электронной техники.
ВЫВОДЫ
В данной курсовой работе:
— рассмотрена классификация полупроводниковых диодов;
— рассмотрен силовой полупроводниковый выпрямительный диодна основе кремния;
— рассчитаны параметры диода
— изучены методы производства мощных низкочастотных диодов
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1. Управляемые полупроводниковыевентили: Пер. с англ./Ф. Джентри, Ф. Гутцвиллер, Н. Голоньяк, Э. фон Застров.М.: Мир, 1967. – 356 с.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Мир,1984. — 368 с.
3. Евсеев Ю. А., Дерменжи П. Г. Силовые полупроводниковые приборы: Учебник для техникумов. М.:Энергоиздат, 1981. — 298 с.
4. Силовые полупроводниковыеприборы/В. Е. Челноков, Ю. В. Жиляев, Н. А. Соболев и др. // Силоваяпреобразовательная техника (Итоги науки и техники). М.: ВИНИТИ, 1986. Т. 4. С.1-108.
5. Моделирование и автоматизацияпроектирования силовых полупроводниковых приборов/В. П. Григоренко, П. Г.Дерменжи, В. А. Кузьмин, Т. Т. Мнацаканов. М.: Энергоатомиздат, 1988.- 315 с.
6. Расчет силовыхполупроводниковых приборов/П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин, Н. Н. Крюкова и др. М.:Энергия, 1980. — 242 с.
7. Блихер А. Физикатиристоров: Пер. с англ./Под ред. И. В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1981. — 315 с.
8. Бениш Ф. Отрицательныесопротивления в электронных схемах. М.: Сов. радио, 1975. — 196 с.
9. Челноков В. Е., Евсеев Ю. А. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов. М.:Энергия, 1973. — 298 с.
10. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотіла електроніка.Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА/ Запоріжжя:Видавництво ЗДІА, 2002. – 99с.
11. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник до курсовогопроекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедична електроніка»денної та заочної форм навчання /Укл: З.А. Ніконова, О.Ю. Небеснюк,, М.О.Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. – 40с.
12. Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д.Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1981. – 431 с.
13. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – 2-еизд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983г. – 384 с.
14. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковыеприборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990г. – 376 с.
15. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Энергоатомиздат,Ленинградское отд-ние, 1989г. – 352 с.
16. Батушев В. А. Электронные приборы. – М., “Высшая школа”1980. – 383 с.