Курсовой проект ТЭ

Министерство образования науки Российской Федерации

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Выполнил студент гр. МТЭ-101 Батищева Л.В.

Руководитель Свистова Т.В.

________________ _________________

оценка дата, подпись

Воронеж, 2013

Содержание

Задание на курсовой проект:

1. Расчет дискретного силового тиристора со следующими параметрами

1) повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии,

Uзс,п = 600 В;

2) средний ток в открытом состоянии, Iос, ср = 500 мА;

3) критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии,

(dUзс,п / dt )кр. = 100 В/мкс;

4) критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии,

( diос / dt )кр. = 200 А/мкс;

5) мощность, рассеиваемая корпусом, Ррас. ≤ 1700 Вт.

Замечания руководителя:

Расчетно-конструкторская часть

1. Расчет дискретного силового тиристора

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более

р-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и который используется для переключения.

Четырехслойная тиристорная структура представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура тиристора

Структура состоит их двух глубоких диффузионных слоев р- типа, между которыми находится слабо проводящая n-база n. Диффузионный n - - слой образует катодный эмиттер n. Слои р и n снабжены омическими контактами, образующими анодными и катодный выводы, а третий контакт, соединенный с р- базой, является управляющим электродом.

Исходные данные для расчета дискретного силового тиристора:

1) повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии,

Uзс,п = 600 В;

2) средний ток в открытом состоянии, Iос, ср = 500 мА;

3) критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии,

( dUзс,п / dt )кр. = 100 В/мкс;

4) критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии,

( diос / dt )кр. = 200 А/мкс;

5) мощность, рассеиваемая корпусом, Ррас. ≤ 1700 Вт.

1.2 Выбор исходного материала

В настоящее время для создания тиристоров используется кремний

n –типа очищенный зонной плавкой и легированный фосфором, т.к. кремний – это полупроводник с высокой температурой плавления, низкой собственной концентрацией носителей, умеренно широкой запрещенной зоной и высоким временем жизни носителей заряда, кроме этого существует современная промышленная технология его изготовления.

Требуемое значение удельного сопротивления исходного кремния

( n - база) ρn1 зависит от напряжения лавинного пробоя р-n- перехода (Uпроб.), которое определяем по заданному значению повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии Uзс.п и коэффициенту запаса kи = 0,75:

Uзс.п = kи · Uпроб,

Uпроб. = Uзс.п / kи.

Uпроб. = 600/ 0,75 = 800 ( В).

Определим концентрацию примеси Nd в n- типе кремния. Приближенное значение Nd определяется по формуле:

Nd = Nnl ≈ А1 · Uпроб. ,

где А1 = 9· 10 В/см, В1 = 1,2 В.

Nd = Nnl ≈ 9· 10·800= 238576 · 10(см) = 2,3 · 10(см)

Определим марку кремния. Марка кремния

Зная концентрацию примеси (N_d), по графику зависимости удельного сопротивления () от концентрации примеси N_d() (рисунок 2) найдем удельное сопротивление _n1≈15 Oм·см и марку кремния по таблице 2. Марка кремния имеет следующий вид: 1Б КЭФ-15/0,1, где 1Б – группа кремния, которая характеризует диапазон удельного сопротивления; К – кремний, Э – электронного типа, Ф – легированный фосфором; 15,0 Омсм – удельное сопротивление (_n1); 0,1 мм – диффузионная длина неосновных носителей в базе n₁ (L_p), значение которой выясним в дальнейших расчетах.

Таблица 1 - Группы кремния по диапазону удельного

сопротивления

Группа	Диапазон удельного сопротивления, Омсм
1А	1 - 15
1Б	1 - 20

Рисунок 2 - Связь между сопротивлением кремния p-и n-типа и концентрацией примеси

1.3 Расчет параметров конструкции тиристора

Определим предельную толщину слоя объемного заряда коллекторного перехода Won в n - базе:

[мкм],

или

, (5)

где  - диэлектрическая проницаемость кремния,  = 12;

₀ – электрическая постоянная;

q – заряд электрона.

49,3 (мкм)

Выбираем предельную толщину слоя объемного заряда коллекторного перехода Won = 59 мкм.

Толщину базы перехода n Wnl определяют из двух условий:

,

,

где , n – показатель степени в формуле Мюллера обычно принимают от 3 до 9 для кремниевых переходов, отношение напряжения перехода ;

ΔW – увеличение эффективной толщины базы;

Lр – диффузионная длина дырок в базе n;

k2 – коэффициент для обеспечения приемлемых значений напряжения в открытом состоянии. Обычно принимают k2 = 3, а для быстродействующих тиристоров k2 =4 – 5.

Эффективная толщина базы тиристора в открытом состоянии при высоких плотностях тока увеличивается примерно на [мкм].

и - глубины залегания переходов и соответственно

(см. рисунок 1), которые для реальных тиристоров обычно имеют величину от 75 до 125 мкм. Глубина залегания перехода колеблется обычно в пределах от 15 до 25 мкм.

Вычислим толщины n - базы (Wnl, мкм)и времени жизни дырок в n - базе (τр, мкс):

,

Так как ρ= 15 Ом· см и Won = 59мкм, = = 100 мкм,

W  100 + 100 – 50 =150 мкм. Предположим, что n = 8, а отношение , тогда , а k₁ = 1,2 и полагая, что k₂ = 3 получаем:

(мкс)

Общая толщина тиристорной структуры:

+.

72,4+100+100=272,4(мкм)

Напряжение прокола несимметричного резкого р-n- перехода:

.

Определим параметры технологической шунтировки перехода j3 . Этот расчет проводят по заданному значению критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (dUзс,п/ dt)кр., которое устанавливается при Т= 125 ºC, и постоянном напряжении в закрытом состоянии

Uзс = 0,67· Uзс.п = 0,67· 600 = 402 (В).

Толщина слоя объемного заряда в n1 – базе с учетом напряжения в закрытом состоянии Uзс:

.

(мкм)

Определяем эффективную толщину базового слоя n1:

.

(мкм)

Определяем эффективную толщину базового слоя р2:

,

где - толщина слоя объемного заряда коллекторного перехода в р2 – базе.

Толщина слоя объемного заряда коллекторного перехода в р2 – базе определяется

,

где а1 – градиент примеси в р-n- переходе при x =,

,

.

Данные величины и подставляем в сантиметрах.

Для создания р-областей тиристора обычно используют такие легирующие примеси, как галлий, алюминий или бор.

Преобладает диффузия галлия или алюминия с поверхностной концентрацией примеси NS в пределах (5·10 - 10) см.

(мкм)

Выбираем = 20 мкм .

Рассчитываем постоянную времени нарастания прямого тока τн как положительный корень следующего трансцентдентного уравнения:

,

где L_p и L_n - диффузионные длины дырок в n₁-базе и электронов в p₂ базе;

_рⁿ¹ и _n^p2 - время жизни дырок в n₁-базе и электронов в p₂-базе.

Время жизни дырок в n₁-базе _рⁿ¹ рассчитано ранее, а время жизни электронов в p₂-базе _n^p2 обычно принимается равным (0,1 - 0,4)_рⁿ¹. Диффузионные длины дырок в n₁-базе и электронов в p₂-базе соответственно:

,

,

где D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно. При температуре 20 ^оС D_n = 33 см²/с и D_p = 12 см²/с, при температуре 125 ^оС D_n = 22 см²/с и D_p = 8 см²/с.

Примем_n^p2 = 0,16_рⁿ¹ = 0,16·3,4 = 0,51 мкс.

см = 52,2 мкм

см = 34,5 мкм

Постоянную времени нарастания прямого тока _н определяют графически. Для этого строят график функции f(_н), задавая значения

_н = 1, 2, 3 … мкс:

.

Результаты расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Определение постоянной времени нарастания прямого тока _н

 мкс	2	4	6	10	12	14	16
f(н)	-0,005	0,156	0,222	0,296	0,328	0,337	0,356

Точка пересечения графика с осью абсцисс и даст искомое значение

_н = 2 мкс (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Определение постоянной времени нарастания тока _н в открытом состоянии тиристора

Рассчитав постоянную времени нарастания прямого тока, вычислим плотность критического заряда включения тиристора, обеспечивающую заданное значение (dU_зс,п/dt)_кр:

,

где - интеграл вероятности функции ошибок, определяется по графику, приведенному на рисунке 4.

Рисунок 4 - Интеграл вероятности функции ошибок

= F (0,4)= 0,6

Зная Q_кр, рассчитаем плотность тока утечек через переход j₃:

.

А/см²

Рассчитаем удельное сопротивление и концентрацию акцепторов в p₂-базе:

_p2 = R_sp2W_p2^*,

где R _sp2 - сопротивление растекания базового слоя p₂. Типичное значение R _sp2 для тиристоров от 200 до 400 Ом. Сопротивление растекания базового слоя p₂ зависит от температуры R _sp2  Т ^2,5. Выбираем R _sp2 = 300 Ом, тогда удельное сопротивление

_p2 = 300· 60,2·10 =1,81 (Ом·см)

По известному удельному сопротивлению _p2 можно определить концентрацию акцепторов p₂-базе (N_р2) по графику зависимости (N_а)

(см. рисунок 2): N_р2 = 7,5·10¹⁶ см ^-3.

Рассчитаем равновесную концентрацию электронов в p₂-базе при предельной температуре 125 ^оС. Учтем, что при 20 ^оС собственная концентрация носителей в кремнии n_i = 1,910¹⁰ cм ^–3, а при 125 ^оС

n_i = 610¹² cм ^–3:

,

Рассчитаем коэффициент переноса дырок через n₁-базу:

.

Рассчитаем коэффициент переноса электронов через p₂-базу:

.

Рассчитаем плотность тока насыщения через переход j₃ при предельной температуре 125 ^оС:

.

Рассчитаем сопротивление технологической шунтировки единицы площади третьего перехода j₃. Шунты предназначаются для закорачивания эмиттерного перехода тиристора, улучшения прямого напряжения пробоя и стойкости прибора к эффекту dU/dt.

.

Левую часть выражения обозначим через Z(R_ут) и построим график зависимости, задавая значения R_ут = 1, 2, 3, … Омсм². Точка пересечения графика с прямой, проведенной из начала координат под углом 45 ^о, дает значение R_ут (рисунок 5).

Результаты расчета приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Определение сопротивления технологической шунтировки перехода j₃ тиристора R_ут.

Rут,Ом ·см2	1	2	3	4	5
Z(Rут) ,Ом ·см2	3.09	2.93	2.85	2.78	2.73

Рисунок 5 - Определение сопротивления технологической шунтировки перехода j₃ тиристора R_ут.

Сопротивления технологической шунтировки перехода j₃ тиристора

R_ут. = 2.2Ом·см².

Зная R_ут и задавшись величиной диаметра технологического шунта

d_ш = 0,025 см, расстояние между центрами соседних шунтов можно рассчитать по формуле:

Выразим R_ут через L_ш:

.

Задачу вычисления расстояния между шунтами решим графически, построив график зависимости R_ут(L_ш), и по известному R_ут определим искомое расстояния между шунтами. L_ш задаем от 0,08 до 0,22 см

(рисунок 6). Значение R_sp2 подставляется при температуре 125 ^оС.

R_sp2 = 300 Ом при температуре 25 ^оС и R_sp2 = 612 Ом при температуре 125 ^оС.

.

Результаты расчета приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Определение расстояния между центрами

соседних шунтов перехода j₃ тиристора L_ш

Lш,см	00,08	00,1	00,12	00,14	00,16	0,18	00,2	00,22
Rут, Ом·см2	0,33	0,7	1,2	1,86	2,68	3,68	4,86	6,22

Расстояние между центрами соседних шунтов перехода j₃ тиристора

L_ш = 0,171 см = 1,71 мм.

Рисунок 6 – Определение расстояния между центрами соседних шунтов перехода j₃ тиристора L_ш

1.3 Расчет диаметра тиристорного элемента и выбор конструкции корпуса

Рассчитываем зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора:

,

где W_Si и L_p выражены в мкм;

j_пр – плотность прямого тока в А/см²;

j_Si – плотность тока через кремниевую структуру рассчитывается по формуле при Т = 20 ^оС.

(А/м²⁾

Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора имеет вид: