Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента

1.3 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента

Структура выпрямительного элемента диода схематически изображена на рисунке 1.3.1.

Рисунок 1.3.1. Структура выпрямительного элемента.

Большинство выпрямительных диодов в приконтактных областях имеют сильнолегированные слои n⁺ и р⁺ типа, которые играют двоякую роль.

Во-первых, они необходимы для уменьшения сопротивления омических контактов, особенно при использовании высокоомных исходных материалов. Эти слои также ослабляют инжекционные свойства омических контактов, улучшая их качество. Для достижения указанных целей достаточно иметь сильнолегированные слои толщиной 30 — 50 мкм [1].

Во-вторых, сильнолегированные слои в высоковольтных диодах ограничивают расширение области объемного заряда в базовые области, что бывает необходимо для уменьшения толщины базовых областей. В высоковольтных диодах при свободном расширении толщина области объемного заряда при пробое очень большая. Чтобы падение напряжения на диоде в прямом направлении было приемлемым, нужно увеличивать время жизни дырок в n-базе. А это требует специальных мер, в связи, с чем разумно ограничить расширение области объемного заряда в n-базу созданием сильнолегированного n⁺ - слоя.

Расчет геометрических размеров слоев диффузионного выпрямительного элемента сравнительно легко можно провести, используя приближение экспоненциального перехода.

Параметры аппроксимации λ и N₀ и глубина залегания диффузионного перехода связаны между собой соотношениями (1.2.3) — (1.2.6), из которых видно, что, изменяя условия проведения процесса диффузии (Dt), можно влиять на глубину залегания р — n-перехода, даже если параметры λ и N₀ заданы (определены). То есть глубина залегания р — n-перехода может варьироваться. В выпрямительных диодах она обычно составляет несколько десятков микрон.

При небольшой глубине (до 20 мкм) в меза-структурах с обратной фаской р — n-переход оказывается расположенным недостаточно далеко от края диска и может быть легко поврежден в процессе изготовления диода. Переходы с глубиной залегания более 100 мкм требуют большой длительности диффузии.

В диффузионных р — n-переходах, как правило, специально создавать сильнолегированный приконтактный слой в диффузионной области не нужно, так как поверхностная концентрация диффундирующей примеси достаточна для формирования омического контакта с малым сопротивлением. Если же она недостаточна (как, например, при длительной диффузии алюминия в кремний из соленых источников N_s= 5·10¹⁶ см^-3 [1]) то сильнолегированный слой формируется одновременно с диффузией основной примеси (в упомянутом случае диффузией бора). Согласно принятым на рисунке 1.3.1 обозначениям глубина залегания диффузионного р — n-перехода x_j равна толщине р⁺ слоя.

Выражая из (1.2.2) глубину залегания, получаем:

, (1.3.1)

Величина d_n в диффузионном р — n-переходе зависит от глубины проникновения области объемного заряда в базовую область при пробое. При известных λ и N₀ глубина проникновения определяется с помощью выражения[1]:

, (1.3.2)

Сильнолегированный приконтактный слой, полученный с помощью диффузии, обычно определяется как расстояние от контактной поверхности до плоскости, в которой концентрация легирующей примеси в два раза больше концентрации примеси в исходном кристалле. Для выпрямительных диодов при таком определении х_jn обычно составляет 30 - 50 мкм.

Общая толщина выпрямительного элемента

W = x_j + х_jn + d_n , (1.3.3) должна быть больше 250 — 300 мкм. С учетом возможных значений х_j и х_jn это означает, что толщина умеренно легированной базовой области d_n должна составлять примерно 150 мкм. Поэтому если l_nB < 150 мкм, то d_n выбирается равной 150 мкм. Если же l_nB > 150 мкм, то расширение области объемного заряда в базу можно ограничить и принять d_n = 0,8 l_nB (но не меньше 150 мкм). Такое 20% ограничение может заметно уменьшить толщину выпрямительного элемента высоковольтных диодов, практически не изменяя напряжение пробоя. Поэтому при ограничении расширения области объемного заряда при пробое не требуется никакого пересчета напряжения пробоя.

1.4 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода

Расчет диаметра выпрямительного элемента производится исходя из средней мощности прямых потерь в диоде и максимально возможной отводимой мощности, обеспечиваемой выбранной конструкцией корпуса диода.

При определении потерь мощности в прямом направлении обычно пользуются так называемой кусочно-линейной аппроксимацией прямой ВАХ диода [1]. В этом случае средняя мощность потерь при протекании предельного тока определяется выражением

, (1.4.1)

где  прямое падение напряжения на диоде при протекании постоянного тока, равного .

При работе в стационарном режиме тепловая энергия, выделяемая в выпрямительном элементе, должна выводиться из внутренних областей диода наружу, к поверхности корпуса, а затем в окружающую среду. Способность к такому отводу тепла характеризуется внутренним тепловым сопротивлением прибора R_thjc. Эта величина определяется многими факторами, но в большей мере она обусловливается теплофизическими характеристиками материалов корпуса прибора, а не полупроводникового кристалла. Значения R_thjc для различных типов корпусов можно взять из [1].

Максимальная мощность, отводимая от выпрямительного элемента к внешним поверхностям полупроводникового прибора, находится из выражения

. (1.4.2)

Для силовых выпрямительных диодов значения Т_jm и Т_c устанавливаются в зависимости от величины повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM (таблица 1.4.1).

Таблица - 4.1 Максимально допустимые температуры р — n-перехода и корпуса кремниевых силовых выпрямительных диодов

Очевидно, что в стационарных режимах работы выпрямительных диодов максимально возможная отводимая мощность должна превышать выделяемую мощность в диоде. В этом случае температура р — n-перехода не превысит максимально допустимое значение Т_jm. Поэтому критерием тепловой устойчивости и работоспособности прибора служит соотношение

 . (1.4.3)

Для определения диаметра выпрямительного элемента по критерию (1.4.3) необходимо вычислить среднюю мощность прямых потерь в диоде

P_ВЫД = I_FAVU_F(2,5I_FAV) (1.4.4) при различных диаметрах выпрямительного элемента [1]. Для этого поступают следующим образом. Задаются значением d_В рассчитывают активную площадь структуры, через которую протекает основной прямой ток. В случае планарной структуры активная площадь диода совпадает с площадью р — n-перехода. Для мезаструктуры с фаской ситуация несколько иная (рисунок 1.4.1).

1- омические контакты.

Рисунок 1.4.1 Структура выпрямительного элемента с фаской:

Так как выпрямительные диоды при предельном токе в большинстве случаев работают при высоком уровне инжекции в базах, область объемного заряда в таком режиме работы исчезает, и сопротивление диода определяется объемным сопротивлением кремниевой пластины. Основная часть тока в этом случае будет протекать в сечении, ограниченном верхним омическим контактом. Растекание тока в боковые области будет незначительным, особенно при малых углах фаски.

Поэтому за активную площадь структуры принимается площадь меньшего омического контакта [1]:

. (1.4.5)

Учитывая погрешности в расчете прямой ВАХ диода, более строго определять активную площадь не имеет смысла.

Рассчитав S_АКТ, находят плотность тока через выпрямительный элемент при I = 2,5 I_FAV:

. (1.4.6)

Затем по вольт амперной характеристике (ВАХ) диода единичной площади, определяют значение прямого падения напряжения.

При проектирования выпрямительных диодов ВАХ нужна в относительно узком диапазоне токов, близких к предельному току диода. Это позволяет использовать аналитические выражения, пригодные в ограниченном диапазоне токов и напряжений.

Одна из таких ВАХ в кремнии представлена ниже [1]:

, (1.4.7)

, (1.4.8)

где U_F- падение напряжения в прямом направлении, В; j_F — плотность прямого тока, А/см²; W_SI — толщина выпрямительного элемента, мкм.

Выражение (1.4.7) записано для р⁺ — n — n⁺-структуры и предполагает, что выпрямительный элемент содержит сильнолегированный приконтактный слой n⁺-типа, который при низком уровне инжекции не оказывает влияния на ВАХ, если толщина умереннолегированной n-базы превышает (2 — З)L_p. Однако при высоком уровне инжекции на n — n⁺-переходе падает часть приложенного напряжения, какой бы ни была ширина базы.

Первое слагаемое в (1.4.7) выражает суммарное падение напряжения на р^+_ n- и n^+_ n-переходах структуры.

Второе слагаемое дает падение напряжения на n-базе в предположении, что имеет место обычная рекомбинация Шокли - Холла - Рида через глубокие центры, т. е. Оже-рекомбинация не существенна. Это допустимо для плотностей тока 300 — 400 А/см². Чтобы падение напряжения на n-базе оставалось приемлемым, необходимо выбирать достаточно большое значение времени жизни. Критерием такого выбора может служить соотношение [1]

, (1.4.9)

где W_SI дается в микрометрах, а τ_р — в микросекундах.

Третье слагаемое в (1.4.7) представляет вклад электронно-дырочного рассеяния.

После построения ВАХ, по полученному графику либо по (1.4.7) определяют значение прямого падения напряжения при I = 2,5 I_FAV и выделяемую мощность потерь по (1.4.4).

После этого строят зависимость Р_выд от d_В. Затем, исходя из максимально допустимой температуры р — n-перехода и температуры корпуса (таблица 1.4.1), рассчитывают значения максимальной мощности, отводимой от выпрямительного элемента к внешним поверхностям полупроводникового прибора:

. (1.4.10)

Внутренние тепловые сопротивления R_thjc типовых корпусов полупроводниковых диодов определяются экспериментально и приводятся в таблицах [1]. Далее, исходя из критерия Р_ВЫД < P_ОТВ и габаритных ограничений, выбирают тип корпуса, обеспечивающий необходимые условия теплоотвода, и диаметр выпрямительного элемента.

Корпуса силовых выпрямительных диодов в настоящее время унифицированы и выпускаются нескольких типов для разных значений диаметра выпрямительного элемента. Причем внутреннее тепловое сопротивление корпуса R_thjc зависит от d_В [1]. Для определения диаметра выпрямительного элемента в данном случае необходимо построить зависимости Р_ОТВ от d_В для различных типов корпусов. Точка пересечения Р_вьд и Р_отв определяет искомый диаметр выпрямительного элемента, для обеспечения тепловой устойчивости диаметр следует выбирать несколько большим, чем дает точка пересечения. При этом нужно иметь в виду, что значения диаметра тоже стандартизированы, поэтому за d_В следует принимать первое разрешенное значение в сторону увеличения. Если окажется, что с учетом указанных критериев подходят несколько корпусов то можно выбрать вариант с меньшим диаметром выпрямительного элемента.

Похожие работы

Расчет и проектирование диода на основе кремния

Скачать

43308

1

12

... 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 ...

Полупроводниковые диоды

Скачать

20444

0

16

... 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. ...

Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды

Скачать

13016

0

11

... 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 ...

Теория

Скачать

128780

35

0

... 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 ...