по проектированию и конструированию полупроводниковых приборов
1. Тема: Расчет выпрямительного диффузионного диода.
2. Срок представления курсового проекта к защите:
3. Исходные данные для проектирования:
3.1 Повторяющееся импульсное обратное напряжение: URRM = 2000 B.
3.2 Максимально допустимый прямой ток: IFAV = 350 A.
3.3 Обратный допустимый ток: IRRM ≤ 3 мА.
3.4 Прямое падение напряжения: UFM ≤ 1,5 В.
4. Содержание пояснительной записки курсового проекта.
4.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла.
4.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента.
4.3 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода.
4.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов.
5. Перечень графического материала.
5.1 Вольт амперная характеристика диода единичной площади.
5.2 Графики зависимости выделяемой и отводимой мощности от диаметра выпрямительного элемента.
5.3 Структура выпрямительного элемента.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 32 страницы печатного текста, 2 рисунка, 3 таблицы, 3 приложения, при написании использовалось 3 источника литературы.
выпрямительный элемент, экспоненциальная модель, диффузионный профиль, удельное сопротивление, напряжение пробоя, область пространственного заряда, прямой ток, диод.
Объектом разработки является выпрямительный диффузионный диод.
Цель работы - проектирование выпрямительного диффузионного диода.
Методы разработки - аналитический расчет.
Полученные результаты: по заданным электрическим параметрам определены технологические параметры изготовления выпрямительного элемента, разработана структура диода.
Основные конструкционные и эксплуатационные характеристики: Повторяющееся импульсное обратное напряжение URRM = 2000 B, максимально допустимый прямой ток IFAV = 350 A, обратный допустимый ток IRRM ≤ 70 мА, прямое падение напряжения UFM ≤ 1,5 В. Удельное сопротивление исходного кристалла r = 70 Ом×см, толщина структуры W = 270 мкм, глубина залегания p - n-перехода xj = 55 мкм, параметры диффузии Dt = 2,17 ×10-6 см-2, диаметр выпрямительного элемента dВ = 24 мм. Максимальная температура корпуса TC = 140°C.
Область применения: разработанный диод может применяться в любой силовой аппаратуре, где необходимо его использование и соблюдаются условия эксплуатации.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Выбор материала диода и типа проводимости исходного кристалла
1.2 Определение удельного сопротивления исходного кристалла
1.3 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента
1.4 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода
1.5 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов
2. Расчетная часть
2.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла
2.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента
2.3 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода
2.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов
Заключение
Список использованных источников
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
ВВЕДЕНИЕ
Целью данного курсового проекта является определение основных электрических, технологических и эксплуатационных параметров выпрямительного диффузионного диода на основании заданной структуры (характера распределения примеси) и электрических характеристик.
Проектирование полупроводниковых приборов является сложной задачей, требующей фундаментальных знаний в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов, полупроводниковой технологии и т. д. Физические процессы в полупроводниковых приборах в большинстве случаев описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, не имеющих аналитических решений. Точный расчет в них возможен лишь численными методами. На этапе обучения более целесообразно приобретение навыков проектирование на основе аналитических формул и выражений для закрепления навыков расчета полупроводниковых приборов.
Не смотря на то, что при расчете применялись аналитические формулы, которые применимы только в некотором приближении, все же благодаря приобретенным навыкам, для каждого конкретного случая были подобраны те соотношения, которые дают наименьшую погрешность расчета. Вследствие чего был разработан диод, который легко изготовить в стандартном технологическом цикле, причем все электрические и эксплуатационные характеристики будут соответствовать заданным.
Экономический расчет проекта не проводился.
Новизны в работе нет, так как проектирование проводилось по материалам научной литературы.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
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.
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 xj определяется 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]:
Страницы: 1, 2, 3, 4