Размещено на http://www.allbest.ru/

					КР - 02069964-110304-3-16
Изм.	Лист	№ докум.	Подпись	Дата
Разраб.	Ариткина Е. А.			Моделирование прямых ВАХ силового диода	Лит.	Лист	Листов
Провер.	Горячкин Ю. В.							3	20
Реценз.					МГУ ФЭТ ЭиНЭ
Н.Контр	Горячкин Ю. В..
Утвержд.	Горячкин Ю. В..

ъ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА»

Факультет электронной техники

Кафедра электроники и наноэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

Моделирование прямых вах силового диода

Автор курсовой работы Е. А. Ариткина

Обозначение курсовой работы КР ? 02069964?110304-3?16

Специальность 110304 электроника и наноэлектроника

Руководитель работы Ю.В. Горячкин

Саранск 2016

РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит 19 страниц, 8 рисунков, 2 использованных источника.

ВАХ, СИЛОВОЙ ДИОД, ТЕМПЕРАТУРА, АМПЛИТУДА ТОКА, АМПЛИТУДА НАПРЯЖЕНИЯ, ТСАD.

Объектом исследования является прямая ВАХ силового полупроводникового диода.

Цель работы ? провести моделирование прямой ВАХ силового полупроводникового диода.

В результате исследования получены зависимости падения напряжения на структуре силового диода от времени при различных амплитудах тока, зависимости максимальной температуры от времени при различных амплитудах тока, вольтамперные характеристики при различных амплитудах тока.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Разработка структуры силового диода

2. Разработка командного файла для моделирования структуры силового диода в программе DESSIS

3. Анализ результатов моделирования с помощью программы INSPECT

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Целью этой курсовой работы является разработка структуры и анализ вольт-амперной характеристики силового диода. Для достижения данных целей необходимо решить следующие задачи: во-первых, создать структуру и расчетную сетку силового диода согласно своему варианту в САПР ТСАD с помощью программы MDRAW, во-вторых, разработать командный файл для моделирования структуры силового диода в программе DESSIS, в-третьих, провести анализ результатов моделирования с помощью программ INSPECT и TECPLOT.

Без ВАХ на данный момент невозможно определить параметры и полные возможности любого выпускаемого элемента, начиная от диода и заканчивая сложнейшими интегральными микросхемами. Поэтому изучение ВАХ различных приборов играет важную роль при проектировании устройств.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИЛОВОГО ДИОДА

На рисунке 1 представлена схематическая структура силового диода, расположение слоев и профили легирования.

Рисунок 1 -- Структура силового диода

В нашем случае р+ слой имеет на поверхности концентрацию бора , профиль распределения примеси: распределение Гаусса.

n+ слой имеет концентрацию фосфора на поверхности : профиль распределения примеси: профиль Гаусса.

Подложка n имеет концентрацию фосфора равную , равномерно легирована. Слой р имеет концентрацию бора на поверхности слоя : профиль распределения примеси: профиль Гаусса.

На рисунке 2 изображена схематическая структура силового диода с алюминиевой металлизацией, молибденовым термокомпенсатором, медными элементами корпуса и термоэлектродами.

Рисунок 2 -- Схематическая структура силового диода с алюминиевой металлизацией, молибденовым термокомпенсатором, медными элементами корпуса и термоэлектродами.

С помощью схематической структуры изображенной на рисунке 2, в программе MDRAW создадим структуру силового диода с алюминиевой металлизацией, молибденовым термокомпенсатором, медными элементами корпуса и термоэлектродами, рисунок 3.

Создадим профили легирования согласно варианту. Наш диод работает на амплитуду тока в 2000А.

Рисунок 3 -- Структура диода выполненная в MDRAW

Далее создадим профили легирования, и на основании них создадим расчетную сетку. На рисунке 4 представлена расчетная сетка по всей структре диода включая алюминиевую металлизацию, молибденовый термокомпенсатор, медные элементы корпуса и термоэлектроды.

Рисунок 4 -- Расчетная сетка всей структуры

На рисунке 5 представлены расчетная сетка в полупроводниковой структуре диода, профили распределения примеси и глубины их залегания в структуре. силовой диод моделирование металлизация

Рисунок 5 -- Расчетная сетка в полупроводниковой структуре диода

2. РАЗРАБОТКА КОМАНДНОГО ФАЙЛА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СИЛОВОГО ДИОДА В ПРОГРАММЕ DESSIS

Листинг командного файла:

Device diode {

Electrode {

{ name="a" Voltage=0 resist=1e-6}

{name="c" Voltage=0 resist=1e-6}

}

Thermode {

{name="tv" temperature=300}

{name="tn" temperature=300}

}

File {

grid = "n1_mdr"

doping = "n1_mdr"

current = "n@node@"

# output = "n@node@"

plot = "n@node@"

parameters = "dessis.par"

}

Plot {

Current eCurrent hCurrent

Temperature TotalHeat

}

Physics {

Thermodynamic

Mobility ( DopingDep HighFieldSaturation CarriercarrierScattering )

Recombination ( SRH ( DopingDep TempDep ) Avalanche ( GradQuasiFermi ) Auger )

}

}

File {

#grid = "n1_mdr"

#doping = "n1_mdr"

#current = "n@node@"

output = "n@node@"

#plot = "n@node@"

}

Math {

Cylindrical

Extrapolate

Derivatives

NoAutomaticCircuitContact

Iterations=50

}

System {

Isource_pset i1 (0 1) {sine = (0 2000 50 0 0)}

diode d1 (a=1 c=0)

Plot "cxem_n@node@" ( time( ) v(1) i(d1 0) )

}

Solve {

Poisson

Coupled { Poisson Electron Hole contact circuit }

Transient (

Initialtime=0

InitialStep=0.1e-6

MinStep=0.001e-6

MaxStep=200e-6

Finaltime=1e-2)

{Coupled { Poisson Electron Hole temperature contact circuit }

Plot (FilePrefix="n@node@" Time = (5e-3; 6e-3; 7e-3; 8e-3; 9e-3) NoOverWrite)}

}

Раздел Electrode: в разделе electrode определяются все электроды, используемые в программе DESIS при моделировании, с соответствующими граничными условиями и начальными смещениями, все те контакты, которые не приведены как электроды программой DESIS игнорируются. В командном файле заданы электроды анода и катода, начальные смещения и сопротивления контактов:

name="a" Voltage=0 resist=1e-6

name="c" Voltage=0 resist=1e-6

Раздел Termode: этот раздел определяется почти также как и раздел electrode. Задание температурных границ определяется в блоке между фигурными скобками и должно включать название электрода, ключевое слово Temperature и величину температуры, в градусах Кельвина (К):

Thermode {

{name="tv" temperature=300}

{name="tn" temperature=300}

В нашем случае «tv» - верхний термоэлектрод, «tn» - нижний термоэлектрод, начальная температура термоэлектродов = 300 К.

Раздел File: в этом разделе указываются входные файлы описывающие структуру диода, и выходные файлы сохраняющие результаты расчетов.

File {

grid = "n1_mdr"

doping = "n1_mdr"

current = "n@node@"

# output = "n@node@"

plot = "n@node@"

parameters = "dessis.par"

Входные файлы:

grid = "n1_mdr" - основной входной файл в котором задаются размеры структуры и ее различные области включая контакты.

doping = "n1_mdr" - второй по значению входной файл, содержит информацию профилях легирования структуры.

Выходные файлы:

current = "n@node@" - это имя выходных данных электрических параметров (токи, напряжения, заряды) на электродах.

output = "n@node@" - имя файла выходного протокола которой автоматически создается во время работы программы DESSIS.

plot = "n@node@" - это имя файла конечного результата расчета различных переменных на ячейках сетки структуры.

Все выходные файлы заданы в виде ссылок на узлы, n@node@ которые принимают значения 3,4 и 5.

Раздел Plot: в этом разделе указываются все расчетные переменные, которые необходимо сохранить в выходном графическом файле. Будут доступны только те переменные, которые программа DESSIS рассчитала на основе выбранных физических моделей и сохранила в графическом файле. Переменные в этом разделе имеют смысл:

Current eCurrent hCurrent - распределение полного, электронного и дырочного токов.

Temperature - распределение температуры.

Раздел Physics: в этом разделе определяются физические модели и эффекты, используемые при моделировании структуры. От выбора моделей может сильно зависеть точность полученных результатов.

Physics {

Thermodynamic

Mobility ( DopingDep HighFieldSaturation CarriercarrierScattering )

Recombination ( SRH ( DopingDep TempDep ) Avalanche ( GradQuasiFermi ) Auger )

}

Thermodynamic - включает термодинамическую модель.

Mobility ( DopingDep HighFieldSaturation CarriercarrierScattering) - выбирает модель подвижности, в нашем случае подвижность зависит от степени легирования, учитываются эффекты насыщения в сильных электрических полях, модель электронно-дырочного рассеяния.

Recombination ( SRH ( DopingDep TempDep ) Avalanche ( GradQuasiFermi ) Auger ) - выбирает модель рекомбинации, в нашем случае рекомбинация Шокли-Рида-Холла, зависящая от температуры, уровня легирования. Также сюда включена модель лавинной генерации под действие градиента квазистационарного уровня Ферми. Также включена модель ударной рекомбинации.

Раздел Math: в этом разделе указываются параметры численного решения уравнений командой solve.

Math {

Cylindrical

Extrapolate

Derivatives

NoAutomaticCircuitContact

Iterations=50

Cylindrical - указывает на решение уравнений в цилиндрической системе координат.

Extrapolate - осуществляет усреднение для данных шагов расчета за счет экстраполяции значений, полученных из двух предыдущих шагов.

Derivatives - аналитически задает производные подвижности, включаемые в матрицу Якоби.

Iterations=50 - задает количество итераций.

Раздел Solve: в этом разделе описывается последовательность расчетов, которые должны быть получены при моделировании.

Solve {

Poisson

Coupled { Poisson Electron Hole contact circuit }

Transient (

Initialtime=0

InitialStep=0.1e-6

MinStep=0.001e-6

MaxStep=200e-6

Finaltime=1e-2)

{Coupled { Poisson Electron Hole temperature contact circuit }

Plot (FilePrefix="n@node@" Time = (5e-3; 6e-3; 7e-3; 8e-3; 9e-3) NoOverWrite)}

}

Poisson - определяет начальные приближения только для решений уравнений Пуассона.

Coupled { Poisson Electron Hole contact circuit } - задается уравнение непрерывности для электронов и дырок с соответствующими начальными условиями на контактах.

Transient (

Initialtime=0

InitialStep=0.1e-6

MinStep=0.001e-6

MaxStep=200e-6

Finaltime=1e-2)

Определяет переходной процесс, с заданным начальным временем, минимальным шагом, максимальным шагом, и финальным значением времени.

Coupled - используется для задания расчетных уравнений

{Coupled { Poisson Electron Hole temperature contact circuit }

Plot (FilePrefix="n@node@" Time = (5e-3; 6e-3; 7e-3; 8e-3; 9e-3) NoOverWrite)}

}

Poisson, Electron, Hole, temperature contact circuit - уравнение Пуассона, уравнение непрерывности для электронов, уравнение непрерывности для дырок, уравнение теплопроводности, уравнение для электрического контакта на границе раздела, уравнение для электрической схемы для тока и напряжения.

3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММ INSPECT

Анализ результатов моделирования с помощью программы INSPECT.

На рисунке 6 представлены графики зависимости падения напряжения на структуре силового диода от времени:

Рисунок 6 - Графики зависимости падения напряжения на структуре силового диода от времени

Как видно из графиков, с ростом амплитуда тока растет и амплитуда падения напряжения, но с ростом амплитуд тока она становится все более несимметричной.

На рисунке 7 представлены графики зависимости максимальной температуры в структуре силового диода от времени в диапазоне температур от комнатной до 300 °C = 573 °К.

Рисунок 7 - графики зависимости максимальной температуры в структуре силового диода от времени в диапазоне температур от комнатной до 573 °К

Из данных графиков видно, что с увеличением амплитуды тока растет и температура, причем с увеличением амплитуды тока уменьшается время достижения максимальной температуры структуры.

На рисунке 8 представлены вольтамперные характеристики диода при разных амплитудах тока.

Рисунок 8 - Вольт-амперные характеристики диода при различных амплитудах тока

Как видно из представленных вольтамперных характеристик, с увеличением амплитуды тока, увеличивается разность хода ветвей при нарастании и спаде амплитуды тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе я моделировала поведение прямой ВАХ силового полупроводникового диода. Получены зависимости падения напряжения на структуре силового диода от времени при различных амплитудах тока, зависимости максимальной температуры от времени при изменении прямого тока, вольтамперные характеристики при различных амплитудах тока. На основании этих данных были сделаны выводы о распределении температуры в структуре диода, о времени разогрева структуры при изменении амплитуды тока, о форме зависимости падения напряжения на структуре диода от времени при различных амплитудах тока.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Горячкин Ю. В. Физко-топологическое моделирование в САПР ТСАD / Ю.В. Горячкин, С. А. Нестеров, Б. П. Сурин. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - 124 с.

2 Пасынков В. В. Полупроводниковые приборы / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. - СПб. : Изд-во «Лань», 2002. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru