Расчет выпрямительного диффузионного диода (стр. 1 из 5)
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по проектированию и конструированию полупроводниковых приборов
1. Тема: Расчет выпрямительного диффузионного диода.
2. Срок представления курсового проекта к защите:
3. Исходные данные для проектирования:
3.1 Повторяющееся импульсное обратное напряжение: URRM= 2000 B.
3.2 Максимально допустимый прямой ток: IFAV= 350 A.
3.3 Обратный допустимый ток: IRRM≤ 3 мА.
3.4 Прямое падение напряжения: UFM ≤ 1,5 В.
4. Содержание пояснительной записки курсового проекта.
4.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла.
4.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента.
4.3 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода.
4.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов.
5. Перечень графического материала.
5.1Вольт амперная характеристика диода единичной площади.
5.2 Графики зависимости выделяемой и отводимой мощности от диаметра выпрямительного элемента.
5.3 Структура выпрямительного элемента.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 32 страницы печатного текста, 2 рисунка, 3 таблицы, 3 приложения, при написании использовалось 3 источника литературы.
выпрямительный элемент, экспоненциальная модель, диффузионный профиль, удельное сопротивление, напряжение пробоя, область пространственного заряда, прямой ток, диод.
Объектом разработки является выпрямительный диффузионный диод.
Цель работы - проектирование выпрямительного диффузионного диода.
Методы разработки - аналитический расчет.
Полученные результаты: по заданным электрическим параметрам определены технологические параметры изготовления выпрямительного элемента, разработана структура диода.
Основные конструкционные и эксплуатационные характеристики: Повторяющееся импульсное обратное напряжение URRM= 2000 B, максимально допустимый прямой ток IFAV= 350 A, обратный допустимый ток IRRM≤ 70 мА, прямое падение напряжения UFM ≤ 1,5 В. Удельное сопротивление исходного кристалла r = 70 Ом×см, толщина структуры W = 270 мкм, глубина залегания p - n-перехода xj= 55 мкм, параметры диффузии Dt = 2,17 ×10-6 см-2, диаметр выпрямительного элемента dВ = 24 мм. Максимальная температура корпуса TC = 140°C.
Область применения:разработанный диод может применяться в любой силовой аппаратуре, где необходимо его использование и соблюдаются условия эксплуатации.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Выбор материала диода и типа проводимости исходного кристалла
1.2 Определение удельного сопротивления исходного кристалла
1.3 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента
1.4 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода
1.5 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов
2. Расчетная часть
2.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла
2.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента
2.3 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода
2.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов
Заключение
Список использованных источников
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
ВВЕДЕНИЕ
Целью данного курсового проекта является определение основных электрических, технологических и эксплуатационных параметров выпрямительного диффузионного диода на основании заданной структуры (характера распределения примеси) и электрических характеристик.
Проектирование полупроводниковых приборов является сложной задачей, требующей фундаментальных знаний в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов, полупроводниковой технологии и т. д. Физические процессы в полупроводниковых приборах в большинстве случаев описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, не имеющих аналитических решений. Точный расчет в них возможен лишь численными методами. На этапе обучения более целесообразно приобретение навыков проектирование на основе аналитических формул и выражений для закрепления навыков расчета полупроводниковых приборов.
Не смотря на то, что при расчете применялись аналитические формулы, которые применимы только в некотором приближении, все же благодаря приобретенным навыкам, для каждого конкретного случая были подобраны те соотношения, которые дают наименьшую погрешность расчета. Вследствие чего был разработан диод, который легко изготовить в стандартном технологическом цикле, причем все электрические и эксплуатационные характеристики будут соответствовать заданным.
Экономический расчет проекта не проводился.
Новизны в работе нет, так как проектирование проводилось по материалам научной литературы.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Выбор материала диода и типа проводимости исходного кристалла
В настоящее время выпрямительные диоды почти целиком изготавливаются на основе германия и кремния. Такие материалы, как арсенид галлия и карбид кремния, пока еще не получили широкого распространения из-за сложной технологии получения и обработки.
Кремниевые выпрямительные диоды обладают рядом преимуществ по сравнению с германиевыми. Благодаря тому, что у кремния больше ширина запрещенной зоны, кремниевые диоды имеют более высокие рабочие температуры (до 190 °С против 85 °С для германиевых диодов). Вследствие этого они могут работать при более высоких плотностях токов в прямом направлении.
Из-за более широкой запрещенной зоны в кремнии концентрация собственных носителей заряда ni на два порядка меньше, чем в германии, в результате кремниевые диоды имеют обратные токи в тысячи раз меньше германиевых. Кремниевые диоды выдерживают большие обратные напряжения, определяемые лавинным пробоем р — n-перехода. В то время как в германиевых диодах (вследствие относительно больших обратных токов) раньше может развиться тепловой пробой. Этому способствует и меньшее значение коэффициента теплопроводности германия.
Недостатком кремниевых диодов является сравнительно большое падение напряжения в прямом направлении. Из-за различия в ширине запрещенной зоны в кремниевых р — n-переходах высота потенциального барьера (при одинаковых уровнях легирования базовых областей) в 1,5 — 2,0 раза превышает высоту потенциального барьера германиевых р — n-переходов. Примерно во столько же раз и падение напряжения на р — n-переходе в кремниевых диодах будет больше.
Исходный кристалл для выпрямительных диодов может иметь проводимость как n-, так и p-типа. Но поскольку в германии и кремнии подвижность электронов заметно превышает подвижность дырок, то предпочтительнее использовать исходные материалы электронного типа проводимости, так как в этом случае падение напряжения будет меньше.
На выбор типа проводимости исходного кристалла может влиять состояние поверхности полупроводника. В кремниевых р — n-переходах в оксиде кремния или на границе кремний — диоксид кремния почти всегда присутствует значительный положительный заряд, который может существенно уменьшить напряжение поверхностного пробоя в p+—n-переходах (если диффузия проводилась в исходный кристалл n-типа проводимости) или привести к образованию инверсионного канала и резкому увеличению обратного тока в n+ — p-переходах (если диффузия проводилась в исходный кристалл p-типа проводимости). Если в первом случае можно применять достаточно разработанные способы устранения поверхностного пробоя, то последнее обстоятельство сильно затрудняет создание высоковольтных p — n-переходов с малыми обратными токами. Поэтому для создания высоковольтных диодов лучше выбирать исходный кремний электронного типа проводимости.
1.2 Определение удельного сопротивления исходного кристалла
Удельное, сопротивление исходного кристалла влияет на ряд параметров выпрямительного диода: прямое падение напряжения, обратный ток, емкость и т. д. Но в наибольшей степени от него зависит напряжение лавинного пробоя p — n-перехода UB, поэтому выбор удельного сопротивления исходного кристалла производится то напряжению лавинного пробоя.
Напряжение лавинного пробоя определяется по заданному значению повторяющегося импульсного обратного напряжения Urrm[1]:
, (1.2.1)где k — коэффициент запаса.
Значение коэффициента запаса выбирается равным 0,75 — 0,80 [1].
Напряжение лавинного пробоя диффузионного р — n-перехода зависит не только от удельного сопротивления исходного кристалла, но и от характера распределения диффундирующей примеси.
Примесные профили диффузионных (особенно высоковольтных) р — n-переходов, в пределах области объемного заряда наиболее точно аппроксимируются экспонентой [1]. Тогда результирующая примесная концентрация, например, для случая диффузии акцепторной примеси в исходный материал n-типа, имеет вид:
, (1.2.2)где xj — глубина залегания р — n-перехода от поверхности;
N0, λ - параметры аппроксимации.
Подбирая параметры экспоненциального распределения, можно с высокой точностью аппроксимировать реальное распределение примесей в районе металлургического перехода. Наиболее просто и легко это можно сделать, приравняв градиенты концентраций реального примесного профиля и аппроксимирующей (экспоненциальной) функции в плоскости металлургического р — n-перехода (при x= хj). Если, например, диффузия проводится из ограниченного источника, то получаем: