Курсовая работа: Расчет выпрямительного диффузионного диода

Для нахождения UFM при выбранном значении диаметра выпрямительного элемента по формуле (1.4.5) рассчитывается активная площадь структуры, а затем определяется максимальное значение плотности тока в прямом направлении

. (1.5.1)

Далее исходя из ВАХ диода единичной площади по (1.4.7) находится значение прямого падения напряжения UFM. К нему можно добавить падение напряжения на омических контактах, не учитываемое в вышеуказанных выражениях. Для силовых выпрямительных диодов оно составляет 0,05 В.

По обратному току ограничивающим параметром обычно является повторяющийся импульсный обратный ток диода IRRM — наибольшее мгновенное значение обратного тока, обусловленное повторяющимся импульсным обратным напряжением URRM. Измеряется IRRM при максимально допустимой температуре перехода Tjm.

Обратный ток реального диода состоит из нескольких составляющих:

IR = IS + Ig + IУТ + IПОВ + IКАН, (1.5.2)

где IS — ток насыщения; Ig — ток термогенерации; IУТ — ток утечки по поверхности; IПОВ — поверхностный ток; IКАН — канальный ток.

Некоторые из них, такие, как IУТ и IКАН аналитически не рассчитываются. Поверхностный ток содержит трудно определяемую скорость поверхностной рекомбинации. Поэтому при расчете обратного тока обычно ограничиваются двумя составляющими — током насыщения и генерационным током.

Ток насыщения — это ток, обусловленный носителями заряда, экстрагируемыми обратносмещённым р — n-переходом из базовых областей. Наиболее общее выражение для плотности тока насыщения, имеет вид:

. (1.5.3)

где ni-собственная концентрация,  – диффузионная длина.

В диффузионных р — n-переходах обычно диффузионная область получается значительно сильнее легированной, чем другая базовая область, представляющая собой исходный материал. В этом случае в выражении для плотности тока насыщения одной составляющей (электронной для р+ - n-перехода и дырочной для n+ — p-перехода) можно пренебречь.

Температурная зависимость параметров, входящих в (1.5.3) представлена ниже.

 , (1.5.4)

, (1.5.5)

, (1.5.6)

где Tn=T/300; T- температура по шкале Кельвина.

Плотность генерационного тока, как правило, вычисляется в предположении, что энергетические уровни генерационно-рекомбинационных центров находятся вблизи середины запрещенной зоны:

. (1.5.7)

где l(URRM) — ширина области объемного заряда при повторяющемся импульсном обратном напряжении.

Для экспоненциального р — n-перехода ширина области объемного заряда может быть найдена по формулам [1]:

при l > 4λ, (1.5.8)

при l ≤ 20λ. (1.5.9)

Если расширение области объемного заряда в базу ограничивается сильнолегированной n+ или р+ - областью то после определения l следует вычислить распространение области объемного заряда в базовые области по формулам:

, (1.5.10)

. (1.5.11)

И если ln при напряжении URRM окажется больше dn (см. рисунок 1.4.1 ), то ширину области объемного заряда следует найти по формуле

, (1.5.12)

Генерационное время жизни τg обычно принимается равным времени жизни носителей заряда в базовых областях. Если эти значения различаются, то в качестве τg берется среднее геометрическое от времени жизни неосновных носителей заряда в базовых областях

. (1.5.13)

После определения плотностей тока насыщения и генерационного тока рассчитывается повторяющийся импульсный обратный ток диода

. (1.5.14)

Площадь S, входящая в это выражение, в случае выпрямительного элемента с фаской отличается от SАКТ для прямого направления. Обратный ток диода формируется в области объемного заряда, и в качестве S необходимо брать площадь структуры в плоскости металлургического перехода (пунктирная линия на рисунке 1.4.2), что практически совпадает с площадью большего омического контакта:

. (1.5.15)

2. РАССЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла

В качестве исходного материала выбираем кремний n-типа проводимости.

Выбор удельного сопротивления исходного кристалла производится то напряжению лавинного пробоя.

Напряжение лавинного пробоя определяется по заданному значению повторяющегося импульсного обратного напряжения Urrm . В соответствии с формулой (1.2.1), задавшись коэффициентом запаса k = 0.80, найдем напряжение лавинного пробоя:

В.

Так как мы имеем дело с диффузионным p-n – переходом, распределение примеси в котором аппроксимируется экспонентой, то следует уточнить напряжение лавинного пробоя. Для этого сначала по формуле (1.2.9б) в первом приближении определим ширину области объемного заряда при напряжении лавинного пробоя:

мкм.

Далее, выбрав λ = 8 и сравнив lB с 5λ, из (1.2.8б) в первом приближении определим значение концентрации легирующей примеси в исходном кристалле:

см-3.

Имея значения параметров lB, λ и N0 в первом приближении, по выражению (1.2.7) можно уточнить напряжение лавинного пробоя экспоненциального p—n-перехода.

В.

Определим расхождение значения напряжения лавинного пробоя полученного по (1.2.1) с тем же полученным по (1.2.7):

Учитывая то, что расхождение меньше 3%, то расчет на этом можно закончить и установить удельное сопротивление ρ исходного кристалла. По графику зависимости удельного сопротивления от концентрации легирующей примеси [2], находим, что для N0 = 5,69×1013 – ρ = 70 Ом×см.

2.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента

Расчет геометрических размеров слоев диффузионного выпрямительного элемента проведем, используя приближение экспоненциального перехода.

Из рисунка 1.2.1 видно, что слоями нашей конструкции выпрямительного элемента являются p+ n и n+ слои, для расчета которых необходимо определить xj, dn и xjn.

Глубину залегания p - n перехода xj можно рассчитать используя выражение (1.3.1) откуда:

мкм, Примем xj = 55мкм.

Тогда из (1.2.3) можно определить параметры диффузии Dt:

см-2.

Далее, для определения dn найдем расширение ООЗ в n-область по (1.3.2)

мкм.

Так как lnB много больше 150 мкм то расширение ООЗ в базу ограничим и примем:

мкм.

Для выпрямительных диодов xjn обычно составляет 30-50 мкм.

Выберем xjn= 40 мкм.

Теперь по (1.3.3) определим общую толщину выпрямительного элемента

W = xj + хjn + dn = 55 + 40 + 175 = 270 мкм.

2.3 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. Для определения диаметра выпрямительного элемента по критерию (1.4.3) необходимо вычислить среднюю мощность прямых потерь в диоде по (1.4.4).

Прежде построим прямую ВАХ диода единичной площади. Для этого воспользуемся формулой (1.4.7), но следует определить сначала по (1.4.8) и (1.4.9) входящие в него компоненты (μP(Si) = 470 см2 /(В×с), ni = 1,45×1010 см-3):

мкс.

см.

А/см2.

Задавшись плотностью прямого тока jF по (1.4.7) определим падение напряжения в прямом направлении VF. Полученные результаты занесем в таблицу.

Таблица – 2.3.1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6