книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

ВЛ.Григоренко ГТГ.Дерменжи ВАКузьмин Т.Т.Мнацаканов

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СИЛОВЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1988

ББК 32.852 М 74

УДК 621.382.2/.3

Р е ц е н з е н т доктор технических наук В. А. Горохов

Ав т о р ы : В. П. Григоренко, П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин,

Т.Т. Мнацаканов

Моделирование и автоматизация проектироваМ74 ния силовых полупроводниковых приборов/

В. П. Григоренко, П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин,

Т.Т. Мнацаканов.—М.: Энергоатомиздат, 1988.— 280 с.: ил.

ISBN 5-283-00516-Х

Рассмотрены вопросы разработки математических моде­ лей и автоматизации проектирования силовых полупроводни­ ковых приборов. Рассмотрены вопросы оптимизации проектных решений и проектирования в диалоговом режиме. Приведены примеры проектирования на ЭВМ,

Для специалистов в области проектирования и разработ­ ки силовых полупроводниковых приборов.

ББК 32.852

ПРЕДИСЛОВИЕ

Силовые 1полупроводниковые приборы (СПП) широко приме­ няются в энергетике, электротехнике, радиотехнике и автомати­ ке. Выпуск СПП непрерывно растет, увеличивается число новых СПП. Разработкой и применением СПП занимаются многочис­ ленные коллективы специалистов.

Существовавшие до последнего времени методы расчета и проектирования СПП не отличались высокой точностью, а недо­ статки проектирования компенсировались многочисленными доро­ гостоящими и продолжительными экспериментами. Существенное повышение качества исходных материалов и уровня технологии привело к уменьшению неконтролируемого разброса параметров СПП. Это стимулировало как за рубежом, так и в СССР разра­ ботку более точных математических моделей СПП и методов ав­ томатизированного проектирования СПП на базе современных ЭВМ.

Автоматизированное проектирование является важным факто­ ром ускорения научно-технического прогресса в силовой полупро­ водниковой электронике, так как позволяет коренным образом из­ менить процесс проектирования и обеспечить необходимое соот« ветствиё между неуклонно растущей потребностью в СПП и методами реализации этих потребностей при ограниченных вре­ менных, трудовых и материальных ресурсах.

В настоящее время опубликовано много монографий, посвя­ щенных различным аспектам проблемы автоматизации проекти­ рования. Большинство публикаций относится к системам автома­ тизированного проектирования (САПР) радиоэлектронной аппа­ ратуры, машиностроения, авиастроения.

Предлагаемая читателю книга посвящена моделированию и автоматизации проектирования СПП — диодов и тиристоров раз­ личного назначения.

Уровень моделирования определяет эффективность автомати­ зированного проектирования в целом. Материалы по моделиро­ ванию СПП опубликованы в основном в журнальных статьях, они недостаточно полны и систематизированы. Поэтому в предлагае­ мой книге ч. I посвящена вопросам разработки математических моделей СПП различного назначения.

Моделирование статической характеристики силовых тиристо­ ров в закрытом состоянии и токов управления современных сило­ вых тиристоров связано с решением неодномерных задач.

3

Часть первая

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Г л а в а п е р в а я

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

1.1. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕМАТИЧЕСКИМ МОДЕЛЯМ. КЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ

Общие вопросы моделирования технических объектов — требо­ вания к математическим моделям, их классификация и особенно­ сти— достаточно подробно описаны в литературе (см., например, [1.7]). Ниже рассматриваются вопросы моделирования примени­ тельно к силовой полупроводниковой электронике.

Эффективность САПР ОПП в решающей степени зависит от того, какие математические модели в нее заложены. Применение ЭВМ наиболее целесообразно при использовании достаточно сложных и точных моделей. При неконтролируемом разбросе па­ раметров, связанном с неоднородностью кремния и технологиче­ ским процессом, снижаются требования к точности модели. По­ вышение качества кремния и технологического процесса, возмож­ ность учета в модели статистических разбросов стимулируют разработку более точных моделей СП'П.

Математическая модель — это система уравнений (или мате­ матическое описание другого вида), позволяющая определить с требуемой точностью необходимые характеристики объекта в раз­ личных условиях работы [1.1, 1,2].

Моделирование необходимо как при проектировании самих СПП, так и при проектировании преобразовательных схем, для разработки автоматизированных систем управления технологиче­ скими процессами (АСУ ТП), создания СПП, т. е. для решения достаточно разнородных задач. Поэтому модели также должны быть различными, разработка универсальной модели практиче­ ски невозможна и нецелесообразна ввиду ее крайней сложности. Математические модели должны удовлетворять определенным требованиям:

отображать с необходимой точностью характеристики СПП в широком диапазоне напряжений, токов, темшератур;

7

правильно отражать связь между характеристиками и физиче­ скими процессами (или параметрами технологических режимов);

учитывать в ряде случаев для ОПП, имеющих большую пло­ щадь (порядка 1— 100 см2), статистический разброс электофизи- -ческих параметровпо площади многослойной структуры и иеодномерные явления.

Перечисленные требования противоречивы, поскольку в наи­ более полной степени требованиям точности отвечают математи­ ческие модели, основанные на решении фундаментальных урав­ нений, описывающих движение дырок и электронов в полупро­ воднике. Однако эти модели очень сложны, в то же время в них входят физические параметры структуры, точность эксперимен­ тального определения которых в ряде случаев недостаточна. Кроме того, статистические разбросы исходных параметров, как отмечалось, снижают требования к точности модели. Однако при­ менение упрощенных моделей для автоматизированного проекти­ рования не эффективно.

Модели СПП можно подразделить на технологические, физи­ ко-топологические и электрические.

Технологическая модель. В этой модели исходными являются параметры тех­ нологических режимов (температура и время диффузии, концентрация диффузанта и др.). Эти параметры, а также выходные параметры па определенных технологических операциях (поверхностное сопротивление, напряжение пробоя

р-п перехода, например) измеряются, обрабатываются на ЭВМ и используются для корректировки и управления технологическим процессом.

Выходными параметрами технологической модели являются электрофизиче­ ские параметры структуры, такие, как глубина залегания р-п перехода, поверх­ ностная концентрация, времена жизни дырок и электронов в слоях после диф­ фузии тяжелых металлов или облучения электронами (или после воздействия у-излучения) и др. Зачастую технологический процесс, анализируют с помощью статистических методов, которые позволяют выделить важнейшие факторы, опре­ деляющие параметры процесса, среди очень различных и плохо поддающихся анализу явлений. Ими могут быть скорость потока газа-носителя, его чистота, режим остывания печи и другие факторы. Технологические модели используются как для оптимизации технологического процесса, разработки АСУ ТП, так и для Получения исходных данных, необходимых при создании физико-топологической модели СПП.

Физико-топологическая модель. Эта модель является основной для автома­ тизированного проектирования СПП. Исходными здесь являются геометрические размеры областей СПП и физические характеристики р-п переходов и слоев (концентрация примеси и ее профиль, время жизни неосновных носителей заря­ да, подвижность носителей заряда и др.). Геометрические размеры определяются рисунком фотошаблона, профилем боковой поверхности кремниевой структуры, толщиной пластины и глубиной залегания р-п переходов. Выходными являются электрические и эксплуатационные характеристики, такие, как напряжение про­ боя р-п переходов, токи утечки, коэффициенты передачи тока транзисторов, ВАХ, допустимые токи в импульсных режимах и др.

8

1.2. ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛОВОГО ТИРИСТОРА

Полная физико-топологическая модель силового тиристора со­ стоит из отдельных блоков (модулей), каждый из которых позво­ ляет рассчитать тот или иной параметр или характеристику. Мо­ дели характеристик можно разделить на статические и динамиче­ ские. Типичная физико-топологическая модель силового тиристо­ ра представлена на рис. 1.1.

Модель, показанная на рис. 1Л, является достаточно общей, но тем не менее ее можно было бы дополнить еще рядом модулей. В модель тиристора могут входить модуль расчета профиля бо­ ковой поверхности структуры (модуль фаски), модули расчета параметров шуитировки катодного перехода и ряд других, кото­ рые не показаны на рис. 1.1. Модули расчета переходных процес­ сов и предельного тока в ряде случаев должны обеспечивать рас­ чет потерь мощности в зависимости от частоты, что весьма важно для быстровосстанавливающихся тиристоров. Иногда в модель ти­ ристора включают некоторые элементы технологической модели— модуль расчета глубины залегания р-п переходов, модуль расче­ та времени жизни дырок и электронов, которые связывают тех­ нологические режимы диффузии доноров и акцепторов, а также тяжелых металлов с геометрическими и физическими параметра­ ми многослойной структуры [1.6].

На рис. 1.1 не указаны связи между отдельными модулями, как это сделано, например, в [П6], и не обозначены входные и выходные параметры для каждого модуля. Дело в том, что рас­ чет отдельных характеристик может проводиться по-разному, так

Рис. 1.1. Физико-топологическая модель силового тиристора

10