РАСЧЕТ и исследование мощных низкочастотных диодов на основе кремния

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 обозначаемых далее как 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диоды. Концентрация примесей в сильно легированных эмиттерных областях составляет ~ 10¹⁹ см⁻³, уровень легирования и толщина базы n-типа определяются максимальным блокируемым напряжением (см. табл. 1).

Таблица 1 - Параметры структуры 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ 4H-SiC р⁺-n₀-п⁺ диодов

	Концентрация доноров в базе, см−3	Толщина базы, мкм
6-кВ	1·1015	50
10-кВ	3·1014	150
20-кВ	3·1014	200

2.2 Расчет вольтамперных характеристик при малых плотностях тока

В 4H-SiC диодах при малых плотностях тока основную роль играют генерация и рекомбинация носителей в области пространственного заряда (ОПЗ) р-n-перехода и их диффузионный перенос через базу. В диодах практически отсутствуют "избыточные" токи, связанные с различного рода неоднородностями структуры и обусловленные, например, механизмами полевого и термополевого туннелирования. На рис. 2.1 в качестве примера показаны прямые вольтамперные характеристики (ВАХ) 6-кВ диода, измеренные при температурах 297 и 537 K в диапазоне плотностей прямого тока j_пр= 10⁻⁷−1 А/см². В указанном интервале плотностей тока ВАХ хорошо аппроксимируются суммой рекомбинационного (j_рек) и диффузионного (j_диф) токов с учетом омического падения напряжения на базе диода j_прr_б, где r_б - сопротивление базы):

 

j_пр = j_рек + j_диф = j_обр exp(qV_pn/2kT) + j_кб exp(qV_pn/kT) (2.1)

V = V_pn + j_прr_б.

Обратный ток в исследованных 4H-SiC диодах при комнатной температуре настолько мал, что находится за пределами чувствительности измерительной аппаратуры.

Рисунок 2.1 - Прямые ВАХ 6-кВ диода при низких плотностях тока. Т = 297K: j_обр = 2.3 ∙ 10⁻²⁴ А/см², j_кб = 1.5 ∙ 10⁻⁴⁵ А/см², r_б = 7.4∙10⁻² Ом∙см², T = 537K: j_обр = 1 · 10^-11 А/см², j_эб = 3∙ 10⁻²¹ А/см², r_б = 1.7 · 10^-1 Ом ∙ см².

Заметный обратный ток появляется лишь при температурах свыше 600 K. На рис. 2.2 показана обратная

ВАХ 6-кВ диода, измеренная при температуре 685 K. Как видно из этого рисунка, j_к ∞ (V_бэ + V)^1/2 (V_бэ — контактная разность потенциалов р—n-перехода). Таким образом, обратный ток обусловлен термической генерацией носителей в ОПЗ р—n-перехода.

Рисунок 2.2 - Обратная ВАХ 6-кВ диода при Т = 685 K.

  2.3 Модуляция базы при высоких уровнях инжекции

На рис. 2.3 показаны импульсные квазистатические ВАХ 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диодов, измеренные при средних и высоких плотностях прямого тока. Как нетрудно убедиться, в 6-кВ и 10-кВ диодах реализуется достаточно глубокая модуляция базы инжектированными носителями. Так, например, при плотности прямого тока 180 А/см² дифференциальное сопротивление 10-кВ диода r_б = dV/dj_пр = 1.6 ∙ 10−² Ом ∙ см², в то время как омическое сопротивление нeмодулированной базы r_б = W/qμ_пn_о = 0.39 Ом ∙ см² (μ_п = 800см²/Вс, n₀ = 3 ∙ 10¹⁴см⁻³), т.е. в 24 раза больше измеренного дифференциального сопротивления.

Рис. 2.3 - Импульсные квазистатические прямые ВАХ 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диодов. Т = 293 K.

Для 6-кВ диода омическое сопротивление немодулированной базы r_б = 6.5 ∙ 10−²Ом ∙ см² в 16 раз больше, чем r_б = 4.1 ∙ 10−³ Ом ∙ cм². Такая ситуация свидетельствует о достаточно больших величинах коэффициента инжекции эмиттера и времени жизни ННЗ в базе диодов.

С целью определения времени жизни ННЗ изучались переходные процессы в диодах: установление прямого падения напряжения при пропускании ступеньки прямого тока, спад послеинжекционной эдс после обрыва тока, восстановление блокирующей способности диодов после их переключения из проводящего состояния в блокирующее [16].

  2.4 Время жизни ННЗ: включение диодов и спад послеинжекционной эдс

На рис. 2.4 показана осциллограмма напряжения на 6-кВ диоде при пропускании прямого тока, быстро нарастающего от нуля до 5 A. Реакция диода на ступеньку тока имеет „индуктивный" характер, что свидетельствует о накоплении в базе высокой концентрации ННЗ. На зависимости V(t) вначале наблюдается всплеск напряжения, амплитуда которого определяется сопротивлением немодулированной базы, а затем, по мере накопления ННЗ в базе напряжение падает до стационарного значения, определяемого сопротивлением модулированной базы. Время установления стационарного состояния (по порядку величины оно сравнимо с временем жизни ННЗ [12]) составляет около 0,6 мкс.

Рис. 2.4 - Осциллограммы тока и напряжения при включении 6-кВ диода.

Т = 293 K. Пунктиром показан результат расчета V(t)

На линейном участке скорость спада эдс (∆V/∆t) обратно пропорциональна времени жизни τ инжектированных в базу ННЗ [19]:

(2.2)

где кТ — тепловая энергия. При комнатной температуре рассчитанная таким способом величина τ составляет 0,6 мкс для 6-кВ диода и 1,55 мкс для 10-кВ и 20-кВ диодов. Принимая подвижность дырок в базе μ_р = 117см²/В ∙ c, подвижность электронов μ_п= 880 см²/В ∙ c, получим, что амбиполярный коэффициент диффузии D_a = 2(kT/q)[ μ_nμ_P/(μ_п + μ_р)] = 5,3см²/с. Амбиполярная диффузионная длина ННЗ в базе, L_a = (D_aτ)¹/², составляет 17,9мкм для 6-кВ диода и 28,7 мкм для 10-кВ и 20-кВ диодов. Такие диффузионные длины действительно могут обеспечивать достаточно глубокую модуляцию базы в случае 6-кВ и 10-кВ диодов (отношение толщины базы к диффузионной длине ННЗ W/L_a = 2,8 и 5,2 соответственно). Однако для глубокой модуляции 200-мкм базы 20-кВ диода этого явно недостаточно (W/L_a = 7.0). Следует однако заметить, что с ростом температуры время жизни ННЗ во всех диодах возрастает в несколько раз, что приводит к уменьшению падения напряжения, несмотря на падение подвижности носителей тока.

  2.4 Особенности переходных характеристик диодов с р-базой

Доказано что в отличие от диодов с n-базой, которые демонстрируют довольно „мягкое" восстановление блокирующей способности, диоды с р-базой могут восстанавливаться довольно „жестко". При одних и тех же величинах прямого тока накачки и обратного напряжения максимальный обратный ток в диодах с р-базой существенно больше, и этот ток обрывается очень резко за время меньше одной наносекунды.

Расчетное время обрыва тока в диодах с р-базой оказалось равным 0,5 ± 0,05 нс, тогда как в диодах с n-базой минимальное время обрыва составляло 3 нс. Показано, что главным фактором, определяющим разный характер восстановления, является большая величина отношения подвижностей электронов и дырок в 4H-SiC, b = μ_n/μ_p.

Известно, что скорость „вытягивания" плазмы обратным током значительно выше из прианодной области, чем из прикатодной (в b² раз до и в b раз после восстановления эмиттерных переходов [9]). В карбиде кремния (р = 7,5) этот процесс проявляется даже более ярко, чем в кремнии (b = 3), и доминирует во всех типах диодов независимо от асимметрии эффективности эмиттеров и вызванной ею начальной неоднородности распределения плазмы в высокоомной базе. В диоде с р-базой область, свободная от плазмы, возникает на аноде и, расширяясь со временем, достигает катода раньше, чем успевает восстановиться переход катодного эмиттера. В результате к моменту начала восстановления ОПЗ неравновесные носители практически полностью выносятся из базы обратным током. В этом случае граница восстанавливающейся ОПЗ будет перемещаться в отсутствие ННЗ, т.е. с насыщенной скоростью.

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 V_eh, обусловленная ЭДР, обычно записывается в виде

(2.3)

где μ_np = Gp₀/p — подвижность, обусловленная ЭДР. Анализ экспериментальных ВАХ диодов показал, что при Т = 293 K константа Gp_o, определяющая подвижность μ_np равна 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.