Звичайно для розрахунку діодів зі сторони заказника повинні бути задані та-кі величини:
1. Максимальне значення зворотньої імпульсної напруги, яке повторюється;
2. Максимальне значення струму, яке проходить в прямому напрямку при заданій температурі корпуса;
3. Максимальне значення температури корпуса.
Вихідні данні для розрахунку діоду зведені в таблиці 4.
Розрахунок силового лавинного діоду проводиться в такій послідовності:
- розрахунок питомого опору вихідного кремнію;
- розрахунок параметрів p+-n-n+структури;
- розрахунок діаметру випрямляючого елементу та вибір конструкції кор-
пусу діода.
2.1.2 Розрахунок питомого опору вихідного кремнію
Виконується для того, щоб на заводі-виробнику можна було заказати крем-ній з заданими електрофізичними властивостями. Величина питомого опору вихід-ного кремнію впливає на величину напруги лавинного пробою та інші показники. Розрахунок проводиться в наступній послідовності:
Таблиця 4 – Вихідні дані для розрахунку силового діоду
| Найменування величини та плзначення | Величина | Одиниця виміру |
| 1. Коефіцієнт запасу по напруги , Ku | 0,75 | |
| 2. Поверхнева концентрація алюмінію, NsАl | 5 * 106 | см-3 |
| 3. Глибина залягання p-n переходу, Xjp | 100 | мкм |
| 4. Глибина залягання n+-n переходу, Xjn | 33 | мкм |
| 5. Кут фаски, φ | 30 | 0(градус) |
| 6. Концентрація власних носіїв заряду при 1900 С, ni | 1014 | см-3 |
| 7. Концентрація власнихносіїв зарядувкремнії, nisi | 1,38 * 1010 | см-3 |
| 8. Імпульсна напруга, що повторюється, URRM | 1800 | В |
| 9. Середній прямий струм, IFAV | 2000 | А |
| 10. Максимально припустима температура переходу, Tjm | 175 | 0С |
| 11. Максимально припустима температура корпусу, Tc | 125 | 0С |
Розрахунок величини напруги лавинного пробою UBR, В
UBR = URRM / Ku , (1)
UBR = 1800 / 0,75 = 2400
Розрахунок концентрації донорів Nd, см-3
Nd = A1* U-1BR* [ln(B1* UBR)]-2 , (2)
де A1= 9 * 1018 В/см3
B1= 1,2 1/В
Nd = 9 * 1018 *2400-1*[ln(1,2 *2400)]-2 = 5,6 * 1013
Розрахунок градієнту домішок в p-nпереході а, см-4
a = (2*Nd / Xjp* 10-4) ln(Nsa1 / Nd) , (3)
a= (2* 5,6 * 1013/ 100 * 10-4) ln(5* 106/5,6 * 1013) = 7,6 * 1016
По залежності напруги лавинного пробою від величини питомого опору ви-хідного кремнію для розрахованого градієнту визначається потрібний питомий опір кремнію.
Враховуючи, що реальний кремнії може мати дефекти, котрі приводять до зменшення величини напруги лавинного пробою, звичайно приймають питомий опір кремнію на 10 – 15 % більше розрахункового.
ρ= 80 Ом*см
2.1.3 Розрахунок параметрівp+-n-n+структури
Метою розрахунку є визначення товщини кремнієвої пластини та деяких до-даткових фізичних параметрів. Хід розрахунку наступний:
Розрахунок орієнтованої площини збідненої n-бази Wзn , мкм
Wзn = 0,52 * √ρn*UBR, (4)
Wзn = 0,52 * √80 * 2400 = 227,8
Для лавинних силових діодів основною являється вимога більшого однорідного лавинного пробою по всій площині структури. Для задовольняння цієї вимоги необхідно, щоб товщина n-бази перевищувала товщину області об’ємного заряда p-n переходу в цій базі не менш ніж на 50-100 мкм.
Wn ≈ Wзn + 60 (5)
Wn ≈ 227,8 + 60 = 287,6
Розрахунок загальної товщини кремнієвої пластини Wsi , мкм
Wsi= Xjp + Xjn + Wn , (6)
Wsi = 100 + 33 + 287,8 = 420,8
Важливим фізичним параметром є час життя дірок в n-бази. Для забезпечен-ня максимального значення прямого струму при прямій мінімальній напрузі, час життя дірок повинен бути великим. Час життя дірок τр, мкс
τр ≥ (Wsi– 50 / 80)2 , (7)
τр ≥ (420,8 – 50 / 80)2 = 21,5
2.1.4 Розрахунок діаметра випрямляючого елемента та вибір корпусу діода
Правильність даного розрахунку забезпечує роботу діода при завданих значеннях прямого струму без перегріву. В процесі роботи діода, випрямляючий елемент нагрівається і за рахунок цього виділяється теплова енергія. Виділена енергія повинна бути передана на корпус та розсіяна в оточуюче середовище, то єсть для нормальної роботи діода повинно бути витримано визначене співвідношення між цими двома потужностями. Потужність втрат залежить від щільності струму, який проходить скрізь діод в прямому напрямі. Для визначення цієї потужності виконуються наступні розрахунки:
Розрахунок середньої потужності прямих втрат виконується в наступній послідовності:
1. Розраховуємо радіальний розмір фаски діода lф, мм
lф = 0,5 + Wsictgφ , (8)
lф = 0,5 + 0,42 * 1,54 = 1,15
2. Розраховуємо активну площу структури Saкт, см2
Saкт = π/4 (dв.е – 2lф)2 , (9)
Saкт = π/4 (32 – 2 * 1,15)2 = 6,92
3. Задаємо декілька значень діаметра випрямляючого елементу із стандартного ряду, розраховуємо таку ж кількість значень Saкт , після чого знаходи-мо для кожного значення Saкт щільність струму по JF , A/cм2
JF= 2,5IFAV / Sакт , (10)
JF= 2,5 * 2000 / 6,92 = 722,5
4. Далі по графіку залежності (рисунок 4) для струму JFвизначаємо UF(2,5 IFAV) та визначаємо РFAV. Після цього будуємо графік залежності середньої потуж-ності від діаметру випрямляючого елементу.
Розрахунок середньої потужності прямих втрат РFAV, Вт
РFAV= IFAV*UF, (11)
де UF– пряма напруга діоду в відкритому стані
РFAV= 2000 * 2,2 = 4400
Поряд із графіком залежності РFAV = f(dв.e) також будується графік залежності потужності (рисунок 5), що розсіюється від випрямляючого елементу Рроз = f (dв.е). Для побудування цього графіка повинно бути попередньо вирішене питання о конструкції корпусу випрямляючого елементу. Це пов’язано з тим, що для подальших розрахунків потрібно знати величину теплового опору. Ця величина показує, на скільки градусів змінюється температура, при зміні потужності на 1 Вт.
Розрахунок потужності Рроз , Вт розсіювання проводиться за формулою:
Рроз = (Tjm – Tc) / Rt, (12)
де Rt– тепловий опір, С0 / Вт;
Рроз = (175-125) / 0,055 = 909
По побудованим графікам залежності обирається мінімальне значення діа-метру випрямляючого елементу, виходячи з умов Рроз = РFAV, або Рроз> РFAV .
2.2 Технологічна схема виготовлення приладу ДЛ553-2000
Технологічний процес виготовлення структури приладу ДЛ553 базується на використанні таких операцій як дифузія, сплавлення з молібденом, травлення фас-ки, напилення. Для створення двохшарової структури типу p-nвикористовується дифузія акцепторної домішки. Сплавлення структури з термокомпенсатором відбу-вається шляхом термічного впливу в водневій пічці. Створення омічного контакту відбувається шляхом магнетронного напилення алюмінію з наступним впалюванням.
Технологічна схема виготовлення структури приладу ДЛ553 показана в таблиці 5.
Таблиця 5 – Технологічна схема виготовлення структури приладу ДЛ553
| Структура | Операції | Матеріали |
Підготовка поверхні.
Дифузія Al
Т = 12500 С; t = 22
C2 H5OH – 100 мл
Н2 О – 4 мл
Al (NO3)3 – 18 гр
Сплавлення з
молібденом
| Структура | Операції | Матеріали |
| Зняття першої фаски | Фтористоводнева кислота, азотна кислота з додаван- ням води | |
| Напилення алюмінію (15 – 22 мкм) на анод- ну сторону структури | Алюміній марки А999 | |
| Зняття другої фаски | Азотна кислота, оцтова кислота, фтористоводнева кислота | |
| Захист p – n переходу | Компаунд КЛТ – 3 | |
| Збірка в корпус, вакуумізація, гарме-тизація, маркіровка, випробування | Прижимні контак-ти: мідь 0,2 , срібло, родій |
2.3 Визначення послідовності операцій технологічного процесу напилення
Першою операцією процесу напилення є підготовка елементу напівпровідни-кового шляхом травлення в фтористоводневій кислоті – проводиться в поліетілено-вії ємності. Протравити касету з елементами напівпровідниковими протягом 60 сек.
при кімнатній температурі. Після чого достати касету з елементами із ємності з фтористоводневою кислотою. Промити цю касету під діонізованою водою до нейт-ральної реакції РН=7. Потім просушити.
Другою операцією є безпосередньо напилення з метою створення омічного контакту при значенні вакууму 2 – 3 * 10-3 мм рт ст. Товщина напиленого шару по-винна бути 15 – 22 мкм.
Контроль поверхні напиленого шару – візуальний. Плівка повинна бути су-цільною та однакової товщини по всій поверхні.
Наступною операцією є впалювання алюмінію в напівпровідниковий елемент з метою підвищення якості плівки та міцності пластини. Операція здійснюється при режимах вакууму 3,5 * 10-3 мм рт ст., температура вплавлення 2500 С.