Расчет и проектирование диода на основе кремния (стр. 5 из 5)
2.6 Расчет ВАХ при высоких плотностях прямого тока: влияние электронно-дырочного рассеяния
На рис. 2.5 показаны ВАХ 6-кВ диода, измеренные при температурах 293−553 K до плотностей тока j= 104 А/см2. Как видно, при достаточно больших плотностях тока имеет место „инверсия" температурной зависимости ВАХ. Точка инверсии приходится на область плотностей тока 2000−3000 А/см2, что более чем на порядок превышает плотность тока инверсии для аналогичных кремниевых структур. Для объяснения этого результата необходим анализ вклада различных нелинейных эффектов, определяющих вид ВАХ в области больших плотностей тока. К ним относятся эффекты, связанные с высоким уровнем легирования эмиттеров: сужение ширины запрещенной зоны, уменьшение подвижности основных носителей заряда, бимолекулярная и оже-рекомбинация. Кроме того, необходим учет взаимного рассеяния подвижных носителей друг на друге — электронно-дырочного рассеяния (ЭДР). Отметим, что эффекты, обусловленные ЭДР, оказываются чрезвычайно существенными в таких хорошо исследованных материалах, как Ge , Si и GaAs , так как сильно уменьшают подвижность носителей заряда в биполярных приборах при больших плотностях тока.
Для определения параметров ЭДР в 4H-SiC нами был предложен метод, основанный на анализе ВАХ диодных структур в области больших плотностей тока [2]. Составляющая падения напряжения на базе Veh, обусловленная ЭДР, обычно записывается в виде
(2.3)где μnp = Gp0/p— подвижность, обусловленная ЭДР. Анализ экспериментальных ВАХ диодов показал, что при Т = 293 Kконстанта Gpo, определяющая подвижность μnpравна 5.8∙ 1019В−1см−1с−1, а величина qGp0, определяющая вклад ЭДР в ВАХ, — 9.3 Ом−1 см−1. Отметим, что найденные значения параметров ЭДР в SiC оказываются примерно 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 в соответствующее 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 Методы производства диодов
Кремниевые диоды обычно изготовляются из кремния n-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке кремния приваривают проволочку из вольфрама, покрытого алюминием. Алюминий является для кремния акцептором. 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 при температуре около 500 °С каплю алюминия, которая, сплавляясь с кремнием, образует слой кремния р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного кремния, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке кремния и к алюминию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный кремния р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа.
Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие, или ступенчатые, n-р-nереходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов в переходе.
Рисунок 2.6. - Принцип устройства плоскостных кремниевых диодов, 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 при этом обычно находится в газообразном состоянии. Для того чтобы диффузия была интенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку кремния n-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары алюминия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой кремния р-типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлаждения его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной грани. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффузионном методе атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основной полупроводник, и поэтому n-р-nереход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с толщиной ООЗ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Расширилась область применения силовых электронных устройств в сфере бытовой электроники (регуляторы напряжения и др.).
Благодаря интенсивному развитию электроники, начиналось создание нового поколения изделий' силовой электроники. Базой для него явились разработка и освоение промышленностью новых типов силовых полупроводниковых приборов: запираемых тиристоров, биполярных транзисторов, МОN-транзисторов и др. Одновременно существенно повысились быстродействие полупроводниковых приборов, значения предельных параметров диодов и тиристоров, развились интегральные и гибридные технологии изготовления полупроводниковых приборов различных типов, начала широко внедряться микропроцессорная техника для управления и контроля преобразовательными устройствами.
Следует отметить, что использование полностью управляемых быстродействующих полупроводниковых приборов в традиционных схемах существенно расширяет их возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новых функциональных свойств изделий силовой электронной техники.
ВЫВОДЫ
В данной курсовой работе:
- рассмотрена классификация полупроводниковых диодов;
- рассмотрен силовой полупроводниковый выпрямительный диод на основе кремния;
- рассчитаны параметры диода
- изучены методы производства мощных низкочастотных диодов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Управляемые полупроводниковые вентили: 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 полупроводниковые приборы/В. Е. Челноков, Ю. В. Жиляев, Н. А. Соболев и др. // Силовая преобразовательная техника (Итоги науки и техники). М.: ВИНИТИ, 1986. Т. 4. С. 1-108.
5. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов/В. П. Григоренко, П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин, Т. Т. Мнацаканов. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 315 с.
6. Расчет силовых полупроводниковых приборов/П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин, Н. Н. Крюкова и др. М.: Энергия, 1980. - 242 с.
7. Блихер А. Физика тиристоров: Пер. с англ./Под ред. И. В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 315 с.
8. Бениш Ф. Отрицательные сопротивления 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 курсового проекту 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-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1983г. – 384 с.
14. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – 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.