ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента
Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов
РАССЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов
Навигация
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Расчет выпрямительного диффузионного диода
37140
знаков
3
таблицы
6
изображений
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:
(1.2.3)
Здесь xjопределяется из выражения
, (1.2.4)
где D — коэффициент диффузии примеси; t — время диффузии; Q —количество атомов диффундирующей примеси, приходящейся на единицу площади; N0 — концентрация легирующей примеси в исходном кристалле.
При диффузии из источника с постоянной концентрацией диффундирующей примеси параметр λ находится по формуле
, (1.2.5)
где Ns— поверхностная концентрация диффундирующей примеси.
Между параметрами аппроксимации λ и N0 имеется связь:
, (1.2.6)
где a — градиент концентрации диффундирующей примеси в плоскости металлургического перехода.
Напряжение лавинного пробоя экспоненциального перехода с диффузионным профилем (1.2.2) можно вычислить с помощью соотношения, получаемого из решения уравнения Пуассона [1]:
, (1.2.7)
где lB- ширина области объемного заряда (ООЗ) при напряжении пробоя.
Для кремниевых экспоненциальных р — n-переходов lBопределяется следующими выражениями:
(для lB≤ 5λ); (1.2.8а)
(для lB> 5λ). (1.2.8б) где lB и λ в микрометрах, а N0 в см-3.
Указанные соотношения определяют ширину области объемного заряда р - n-перехода при пробое с погрешностью менее 5 %. В приближении экспоненциального перехода концентрацию легирующей примеси (а значит, и удельное сопротивление) исходного кристалла можно определить следующим образом:
Сначала по соотношениям (1.2.3) и (1.2.5) исходя из предпочтительных значений величин хj и Dt в первом приближении определяют величину λ. для выпрямительных диодов при обычно используемых режимах диффузии она составляет от 0,5 до 15,0 мкм.
Малые значения λ характерны для неглубоких р — n-переходов, получаемых кратковременной диффузией. Однако в них трудно осуществить защиту от поверхностного пробоя. Переходы с очень высокими значениями λ требуют длительных диффузий и имеют большую глубину залегания от поверхности, что обычно тоже нецелесообразно. Поэтому, если нет каких-либо ограничений, λ выбирается из середины приведенного выше интервала.
Затем определяется ширина области объемного заряда р — n-перехода при напряжении лавинного пробоя. В кремниевых диффузионных р — n-переходах независимо от профиля легирования в широком диапазоне напряжений пробоя имеют место следующие приближенные соотношения [1]:
(для 30 ≤ UB ≤ 300 В), (1.2.9а)
(для UB ≥ 300 В). (1.2.9б)
В этих выражениях UB задается в вольтах, а lB получается в микрометрах.
После определения lB и λ в первом приближении из соотношений (1.2.8а), (1.2.8б) рассчитывается значение концентрации легирующей примеси в исходном материале N0.
Имея значения параметров lB, λ и N0 в первом приближении, по выражению (1.2.7) можно уточнить напряжение лавинного пробоя экспоненциального p—n-перехода.
Если расхождение между полученным и требуемым значениями составляет меньше З %, то расчет на этом можно заканчивать. Если же оно оказывается больше, то необходимо скорректировать параметры N0 или λ. Для повышения напряжения пробоя р — n-перехода можно увеличивать λ или уменьшать N0.
После коррекции параметров N0 и λ по (1.2.8а), (1.2.8б) находят новое значение lB и по (1.2.7) — напряжение лавинного пробоя. После окончания определения с помощью выражений (1.2.3) — (1.2.5) следует оценить значения хj и Dt, необходимые для получения рассчитываемого р –n-перехода. Если они приемлемы, т. е. их можно получить в обычном технологическом процессе без особых затруднений, процесс нахождения N0 можно считать законченным и установить удельное сопротивление исходного материала.
Похожие работы
... измениться в е раз из-за рекомбинации. Для диода с тонкой базой при низкой частоте постоянная времени равна (1.6) 2. РАСЧЕТ и исследование мощных низкочастотных диодов на основе кремния 2.1 Расчет параметров диода Проведем расчет и исследования статических и динамических характеристик 4H-SiC p+-п0-n+ диодов, рассчитанных на обратное напряжение 6, 10 и 20 кВ и ...
... диода Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах. 3.4 Варикапы Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. ...
... не происходит в прямом направлении, то нечему рассасываться в момент закрытия барьерного перехода, что происходит практически мгновенно (0,1 нс и менее Fраб = 3-15 ГГц). Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, обладающие большой крутизной обратной ветви ВАХ (рис. 6) в области напряжения лавинного пробоя Uпроб. Рис. 6. Принцип стабилизации напряжения с помощьюполупроводникового стабилитрона ...
... его сопротивления и, таким образом, ток, протекающий через канал, порождает условия, при которых происходит ограничение его возрастания. Механизм насыщения скорости дрейфа позволяет получить совпадение теории и эксперимента; дело в том, что почти все падение напряжения сосредоточено в самой узкой части канала (верхней его части - горловине). В результате в этой области напряженность поля ...
0 комментариев