Расчёт силового тиристора

Размещено на http://www.allbest.ru/

89

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема «Расчет силового тиристора»



Содержание

1. Расчет дискретного силового тиристора

1.1 Теоретические сведения

1.2 Выбор материала

1.3 Расчет параметров конструкции тиристора

1.4 Расчет диаметра тиристорного элемента и выбор конструкции корпуса

1.5 Расчет основных параметров тиристоров

1.6 Расчет вольт-амперной характеристики тиристора

1.7 Выбор конструкции корпуса проектируемого тиристора

2. Технологическая реализация проектируемого тиристора

Заключение

Список литературы



1. Расчет дискретного силового тиристора

1.1 Теоретические сведения

дискретный силовой тиристор

Для расчета дискретного силового тиристора исходными данными являются:

1) повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии,

;

2) средний ток в открытом состоянии,

;

3) критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии,

;

4) критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии,

;

5) мощность, рассеиваемая корпусом,

;

6) предельная частота работы тиристора, f;

7) время выключения тиристора .

Четырехслойная тиристорная структура представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структура тиристора

Она состоит из двух глубоких диффузионных слоев p-типа (слой является анодным эмиттером, слой - p - базой), между которыми находится слабопроводящая n - база . Диффузионный - слой образует катодный эмиттер . Слои и снабжены омическими контактами, образующими анодный и катодный выводы, а третий контакт, соединенный с p - базой, является управляющим электродом. Когда к аноду приложен отрицательный по отношению к катоду потенциал, тиристор обладает высоким сопротивлением. Если к аноду приложен положительный потенциал, то прибор также имеет высокое сопротивление до тех пор, пока на его управляющий электрод не подается сигнал управления. После этого происходит включение тиристора. Переход из закрытого состояния в открытое происходит очень быстро, и тиристор остается в открытом состоянии, даже если закончится сигнал управления.

Переключение из открытого состояния в закрытое обычно производится не по управляющему электроду, а с помощью внешней цепи. Прибор выключается, когда ток уменьшается ниже критического уровня, называемого током удержания [1].

1.2 Выбор материала

Разработку тиристора рекомендуется начинать с выбора исходного материала, а именно самого полупроводника. Существует три типа полупроводниковых материала, которые используют для производства тиристоров: германий, кремний, арсенид галлия. Преимущественно в настоящее время для создания тиристоров используется очищенный зонной плавкой и легированный фосфором кремний n - типа, так как 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 [1].

Требуемое значение удельного сопротивления исходного кремния (- база) зависит он напряжения лавинного пробоя p-n-перехода (), которое определяется по заданному значению повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и коэффициенту запаса :

(1)

(2)

По рассчитанному значению пробивного напряжения p-n-перехода определим концентрацию примеси в n-типе кремния (можно по графикам зависимости пробивного напряжения от концентрации примеси в полупроводнике). Приближенное значение определяется по формуле:

(3)



где , .

Эта формула справедлива для резкого p-n-перехода [2]. Зная теперь концентрацию примеси , по графику зависимости удельного сопротивления (с) от концентрации примеси (рисунок 2)[3,4] находим удельное сопротивление и выбираем марку кремния.

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

Марка кремния имеет следующий вид: 1А КЭФ - 2,5/0,0483, где 1А - группа кремния, которая характеризует диапазон удельного сопротивления; К - кремний, Э - электронного типа, Ф - легированный фосфором, 2,5 - удельное сопротивление (, 0,0483 мм - диффузионная длина неосновных носителей в базе ().

1.3 Расчет параметров конструкции тиристора

Определим предельную толщину слоя объёмного заряда коллекторного перехода в -базе:

(4)

Или

(5)

где - диэлектрическая проницаемость кремния, ;

- электрическая постоянная, ;

q - заряд электрона, .

Толщину базы , как правило, определяют из двух условий:

,(6)

,(7)

где

,

n=3 - показатель степени в формуле Мюллера,

- отношение напряжения переключения к напряжению пробоя перехода ; - увеличение эффективной толщины базы; - диффузионная длина дырок в базе ; - коэффициент для обеспечения приемлемых значений напряжения в открытом состоянии

Эффективная толщина базы тиристора в открытом состоянии при высоких плотностях тока увеличивается примерно на

,

где , - глубина залегания переходов соответственно. Глубина залегания перехода .

Из условия (6) и (7) получаем формулы для вычисления толщины -базы () и времени жизни дырок в -базе ():

Время жизни , уточняется, чтобы обеспечить заданное время выключения, для этого задаются коэффициентом пропорциональности . Зная и , решаем систему уравнений (8), (9) находим толщину -базы .

Общая толщина тиристорной структуры:

(10)

Напряжение прокола несимметричного резкого p-n-перехода:



Определим параметры технологической шунтировки перехода Расчет проводим по заданному значению критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии , которое устанавливается при , и постоянном напряжении в закрытом состоянии .

Толщина слоя объёмного заряда в -базе с учётом напряжении в закрытом состоянии :

(12)

Определим эффективную толщину базового слоя :

(13)

Толщина слоя объемного заряда коллекторного перехода в -базе определяется как:

(14)

где

=2029 (15)

- градиент примеси в p-n-переходе при

,

- поверхностная концентрация примеси;

(16)

Определим эффективную толщину базового слоя :

(17)

При известных значениях и рассчитываем постоянную времени нарастания прямого тока как положительный корень следующего трансцендентного уравнения:

(18)

где и - диффузионные длины дырок в -базе и электронов -базе.

и - время жизни дырок в -базе и электронов -базе.

Время жизни дырок в -базе рассчитано ранее по (9), а время жизни электронов в -базе принимаем равным 0,4?. Диффузионные длины дырок в -базе и электронов -базе соответственно:

(19)

(20)

где и - коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно. При температуре 125 °С и .

Постоянную времени нарастания прямого тока определяем графически. Для этого стоим график функции :

(21)

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

Точка пересечения графика с осью абсцисс и даст искомое значение (рисунок 3).

Рассчитав постоянную времени нарастания прямого ток, вычислим плотность критического заряда включения тиристора, обеспечивающую значение :

(22)



где -

интеграл вероятности функции ошибок , определяется по графику, приведенному на рисунке 4 [2].

Рисунок 4 - Интеграл вероятности функции ошибок

Зная , рассчитаем плотность тока утечек через переход :

(23)

Рассчитаем удельное сопротивление и концентрацию акцепторов в -базе:

(24)

где - сопротивление растекания базового слоя .

По известному сопротивлению определим концентрацию акцепторов базы - .

Рассчитаем равновесную концентрацию электронов в -базе при предельной температуре 125 °С. Учтем, что при 125°С :

(25)

Рассчитаем коэффициент переноса дырок через -базу:

(26)

Рассчитаем коэффициент переноса электронов через -базу:

(27)

Рассчитаем плотность тока насыщения через переход при температуре 125°С:

(28)

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

(29)

Левую часть выражения (29) можно обозначить через и построить графи зависимости. Точка пересечения графика с прямой, проведенной из начала координат под углом 45, дает значение (рисунок 5).

Рисунок 5 - Определение сопротивления технологической шунтировки перехода тиристора

Зная и задавшись величиной диаметра технологического шунта , расстояние между центрами соседних шунтов можно рассчитать по формуле:

(30)

Из формулы (30) выразим через :



(31)

Задачу вычисления расстояния между шунтами решим графически, построив график зависимости , и по известному определим расстояние между шунтами . Значение при температуре 125°С.

Рисунок 6 - Определение расстояния между центрами соседних шунтов перехода тиристора

1.4 Расчет диаметра тиристорного элемента и выбор конструкции корпуса

1. Рассчитываем зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока от плотности кока тиристора:



где и выражены в мкм;

- плотность прямого тока в ;

- плотность тока через кремниевую структуру рассчитывается по формуле . При температуре :

;

;

.

Расчетная зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора имеет вид, приведенный на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора



2. Рассчитываем радиальный размер фаски. Для защиты p-n-p-n-структур силовых тиристоров от поверхностного пробоя используют фаски. Для тиристоров используется, как правило, двухступенчатая фаска (рисунок 8). Угол , а угол - определяет стойкость к поверхностному пробою коллекторного перехода. Такая фаска широко используется для тиристоров с напряжением переключения до 4000 В [2]. Радиальный размер фаски определяется как :

(33)

Рисунок 8 - Двухступенчатая фаска в тиристорах

3. Определяем коэффициент, учитывающий потери активной площади за счет технологической шунтировки перехода . Катодные шунты обычно имеют круглую форму и располагаются по площади эмиттера в виде регулярной системы с квадратным или треугольным расположением (рисунок 9).

Наличие эмиттерных шунтов приводит к потери общей площади эмиттера, а, следовательно, и нагрузочного тока. При треугольном распределении диаметр шунта больше, чем при квадратном, что позволяет легче реализовать данную форму, а также шунты находятся на большем расстоянии друг от друга, что способствует меньшему влиянию шунтирования на скорость распространения проводящей плазмы [1].

Коэффициент, учитывающий потери активной площади за счет технологической шунтировки перехода :

при расположении шунтов по вершинам треугольников:

(34)

а б

Рисунок 9 - Расположение шунтов катодного эмиттера: а - квадратное расположение; б - треугольное расположение

4. Задаём значение диаметра выпрямительного элемента и рассчитываем активную площадь структуры тиристора:

(35)

где - ширина базовых управляющих полосок;

-

ширина эмиттерных полосок;

- площадь, занимаемая вспомогательной p-n-p-n-структурой (численно равна площади, занимаемой неразветвленным управляющим электродом).

5. Вычисляем плотность тока через структуру при прямом токе, равном 2,5:

(36)

6. Зная плотности тока, по графику зависимости напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора (рисунок 7) определяем значение прямого напряжения и рассчитываем среднюю мощность прямых потерь для разных значений :

(37)

Затем строим график зависимости (рисунок 10). Наряду с графиком зависимости рассчитываем графики зависимости мощности, рассеиваемой корпусом тиристора штыревой и таблеточной конструкции при заданных значениях максимально допустимой температуры структуры и температуры корпуса, и строим их на графике :

(38)

где - температура перехода;

- температура корпуса;

- тепловое сопротивление переход-корпус.

Для построения графика зависимости (38) пользуемся приближенными значениями тепловых сопротивлений переход-корпус тиристоров, приведенных в таблице 2.

1 - средняя мощность прямых потерь в открытом состоянии; 2 - мощность, рассеиваемая корпусом тиристора таблеточной конструкции; 3 - мощность рассеиваемая корпусом

Рисунок 10 - Зависимость мощности тиристора от

Таблица 2 - Значения тепловых сопротивлений переход-корпус тиристоров

Диаметр выпрямительного элемента, , мм	Тепловое сопротивление переход-корпус , °C/Вт
	Штыревой корпус	Таблеточный корпус
	паяные контакты	прижимные контакты
6	2,3	-	-
8	1,4	-	-
10	1,2	-	-
13	0,7	0,4	-
16	0,4	-	-
18	-	0,26	-
20	-	-	0,11
24	-	0,16	0,08
32	-	0,1	0,055
40	-	-	0,04
50	-	-	0,03
56	-	-	0,025
65	-	-	0,02
80	-	-	0,015

По диаметру выпрямительного элемента выбираем таблеточный тип корпуса.

1.5 Расчет основных параметров тиристоров

1.Импульсное напряжение в открытом состоянии определяют следующим образом. При выбранном и известном рассчитываем плотность прямого тока, соответствующую току :

(39)

По зависимости (см. рисунок 7) определяем .

2. Повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии:

(40)

где при T=125 °C , ,

,

.

3. Ударные токи в открытом состоянии. Из практики известно, что плотность ударно тока в открытом состоянии меняется от 1,5 кА/ при до 1 кА/ при . Находим , соответствующее рассчитанной по формуле (10) толщине кремниевой пластины:

По графику определяем зависимость (рисунок 11).

Рисунок 11 - График зависимости

(41)

(42)

4. Время включении приближенно равно среднему геометрическому времени диффузии в и областях:

(43)

где ,

.

5. Время выключения. Расчет времени выключения проводится при максимально допустимой температуре структуры 125°C по следующей формуле:



(44)

где - избыточный заряд дырок в базе в момент времени ,

где .

- критический заряд включения тиристора рассчитан ранее по (22);

- избыточный заряд неравновесных носителей, накопленный в базах,

(46)

где при .

- заряд обедненной области перехода при обратном напряжении, прикладываемом к тиристору в процессе выключения,

где =100 В,

,

,

, при Т=125°C .

Скорость спада тока в открытом состоянии принимается для отечественных тиристоров в выражении (45). В формуле (46) для отечественных тиристоров .

1.6 Расчет вольт-амперной характеристики тиристора

Статическую вольт-амперную характеристику тиристора можно получить с помощью графоаналитического метода (рисунок 15). В первой четверти строится зависимость тока от напряжения на прямосмещенных переходах и . Во второй четверти представлен график токовой зависимости коэффициентов передачи составных транзисторов . В третьей четверти приводится график вольт-амперной характеристики перехода . В четвертой четверти проводится вспомогательная прямая под углом 45°. Суммируя три зависимости, получаем вольт-амперную характеристику тиристора [3, 5].

1. Построим график токовой зависимости коэффициентов передачи составных транзисторов .

Определим величины необходимые для расчета при :

где ,

где =2029,

Рассчитаем и из соотношения:

(48)

(49)

Из неравенств (48), (49) найдем концентрацию примеси в областях и

- ,

Определим контактные разности потенциалов для переходов и :

(50)

(51)

где - термический потенциал Больцмана

Ширина области пространственного заряда эмиттерных переходов:

(52)

(53)

Определим характеристические токи генерации - рекомбинации:

(54)

(55)

где в - области и в - области

Рассчитаем дырочный и электронный токи насыщения эмиттерных переходов:

(56)

(57)

где и

Коэффициенты передачи составных транзисторов:



(58)

(59)

где и - коэффициенты переноса дырок через базу и электронов через базу ;

и - коэффициенты инжекции носителей через переходы и .

Зависимость коэффициентов инжекции от тока, протекающего через тиристр, имеет вид:

(60)

(61)

где и

Рассчитав все величины по формулам (48) - (61), строим зависимость коэффициентов передачи составных транзисторов от тока, задавая его значения. Ток выключения находим по точке пересечения функции с осью ординат и ток включения соответствует максимуму функции .



Рисунок 12 -- Зависимости коэффициентов передачи от тока, протекающего через тиристор

2. Вольт-амперная характеристика перехода определяется как:

(62)

Рисунок 13 - Вольт-амперная характеристика перехода j₂

3. Определим напряжения на переходах и :

(63)

(64)

(65)

Рисунок 14 - Зависимость тока от напряжения на прямосмещенных переходах j₃ и j₁

1 - зависимость ; 2 - зависимость ; 3 - зависимость ; 4 - вольт-амперная характеристика тиристора

Рисунок 15 - Построение вольт-амперной характеристики тиристора графоаналитическим методом

1.7 Выбор конструкции корпуса проектируемого тиристора

Конструкция корпуса тиристора выбирается в зависимости от размеров кристалла, рассеиваемой мощности, рабочей частоты и величины тока в открытом состоянии.

Хотя существуют различные варианты корпусов тиристоров, их все можно объединить в пять основных типов, а именно: дискретные пластмассовые, пластмассовые модульные, штыревые, с плоским основанием и таблеточные [1]. Наиболее широкое применение получили корпусы штыревой и таблеточной конструкции. Корпус штыревой конструкции с паяными контактами используется при диаметрах полупроводниковых структур (12 - 13) мм, а с прижимными контактами - при диаметрах
(16 - 32) мм. Корпус таблеточной конструкции используется при диаметрах полупроводниковых структур свыше 20 мм.

Тепловое сопротивление переход корпус, учитывая активную площадь тиристора и боковое растекание тепла, можно оценить по формуле:

(66)

где - коэффициент теплопроводности для кремния, = 1,45 Вт/(см^оС).

Выбираем таблеточный корпус с тепловым сопротивлением R_т(п-к)=0,08 °C/Вт. Полное тепловое сопротивление:

(67)

Максимальная мощность, рассеиваемая корпусом тиристора:

(68)

где Т_макс - максимально допустимая температура структуры тиристора, Т_макс = =125 ^оС;

Т_о - температура окружающей среды, Т_о = 20 ^оС.

Максимальная мощность, рассеиваемая корпусом тиристора, не превышает заданную мощность.



2. Технологическая часть

Типичная последовательность технологического процесса изготовления мощных тиристоров показана на рисунке 16.

Исходным материалом служит высокочистый бездислокационный кремний n-типа 1А КЭФ - 2,5/0,0483, полученный способом зонной плавки. В нем за счет диффузии акцепторной примеси формируют основные переходы прибора, блокирующие напряжение, а затем проводят диффузию донорной примеси для создания эмиттера. На заключительной стадии изготовляют металлические контакты, снимают фаску и пассируют поверхность высоковольтных переходов. Готовый базовый элемент монтируют в соответствующем корпусе, обеспечивающем присоединение сильноточных выводов, теплоотвода и защиту элемента от действия высоких напряжений.

Существует почти столько же вариантов проведения данных базовых технологических процессов при изготовлении мощных тиристоров, сколько и типов приборов.

Не вызывает сомнений необходимость применения различных процессе для реализации специфичной геометрии со стороны анода асимметричных и запираемых тиристоров, симисторов, однако и обычные тиристоры можно изготовлять с использованием разнообразных технологий.

Хотя некоторые технологические процессы, применяемые при изготовлении мощных тиристоров и производстве других полупроводниковых приборов, например транзисторов, диодов и И С, на первый взгляд похожи, имеется и несколько существенных отличий.



Рисунок 16 - Типичная последовательность технологического процесса при изготовлении мощных тиристоров

1. Толщина самих кремниевых пластин определяется требуемыми напряжением пробоя и потерями в проводящем состоянии, поэтому при изготовлении мощных тиристоров применяются и довольно толстые пластины. В связи с этим могут возникнуть проблемы при обработке пластин, исключающиеся, например, при производстве ИС, когда толщина пластин определяется с учетом удобств при их изготовлении и транспортировке.

2. В случае мощных тиристоров необходимы глубокие диффузионные переходы, позволяющие реализовать высокие допустимые напряжения. В сочетании с большими площадями, на которых формируются приборы, это обусловливает повышенные требования к однородности процесса диффузии.

3. Для получения приборов с приемлемыми потерями мощности требуется обеспечить большое время жизни неосновных носителей заряда в структуре готового прибора. Это достигается за счет глубокой диффузии и минимального загрязнения в процессе обработки, исключающего введение примесей, обусловливающих уменьшение времени жизни носителей.

4. В случае активной структуры используются обе поверхности кремниевой пластины. Условия нерабочей стороны полупроводниковой пластины с ИС обычно не критичные, поэтому допустимы незначительные дефекты, связанные, в частности, с оборудованием для транспортировки пластин. В мощных тиристорах, и в первую очередь в приборах с конструктивными элементами на обеих сторонах пластины, например запираемых тиристорах и симисторах, подобные дефекты на нерабочей стороне пластины неприемлемы.

5. Процессы металлизации, изготовления контактов и монтажа еще более специфичны для мощных приборов. В связи с высокими рабочими напряжениями необходимы специальная защита фаски и пассивация. Из-за наличия сильных токов при функционировании прибора его обширные области подвергаются воздействию высоких температур, что обусловливает повышенные требования к уменьшению в приборе эффектов, связанных с термической усталостью. И, наконец, металлизация должна обеспечивать создание омических контактов к кремнию с пониженным сопротивлением, чтобы свести к минимуму падение напряжения в открытом состоянии.

Эпитаксия - это процесс осаждения тонких слоев полупроводниковых материалов на подложку с сохранением ее кристаллической структуры. Основными требованиями при эпитаксии, связанными со спецификой производства мощных тиристоров, являются наличие больших поверхностей с низкими уровнями дефектов и точный контроль за толщиной эпитаксиальных слоев, изменяющейся в диапазоне от 10 до 50 мкм.

Слои p- и n-типа мощных тиристоров обычно формируются путем введения легирующих примесей в исходный кремний n-типа. Обычно для этого применяются методы диффузии, хотя, возможно также сочетание ионной имплантации и диффузии. Традиционными легирующими примесями, используемыми при производстве мощных тиристоров, являются фосфор, мышьяк, галлий, алюминий и бор. Первой стадией изготовления мощных тиристоров является проведение диффузии акцепторов для создания основных запирающих переходов. Поскольку требуется обеспечить глубину перехода, равную 30-140 мкм, и низкую плотность дефектов применяют галлий и алюминий. Они вводятся путем диффузии с обеих сторон пластины, и в результате формируется p-n-p-структура. Различают процессы диффузии в открытых или запаянных трубах. Процесс диффузии в запаянной трубе осуществляется следующим образом: кремниевые пластины помещают в кварцевую трубу вместе с легирующей примесью. Затем трубу откачивают и заполняют инертным газом. Запаянную трубу помещают в диффузионную печь, где она обычно находится в течение 15-20 часов, подвергаясь воздействию температур 1200-1250 єС. После этого трубу открывают, вынимают обработанную пластину и быстро очищают ее, подготавливая к следующей операции. Процесс диффузии алюминия в запаянной трубе осложняется реакцией, проходящей между алюминием и кварцем трубы. Согласно методу открытой трубы процесс проходит в совершенно открытой трубе. При этом кремниевые пластины находятся в кварцевой трубе диффузионной печи, а газ перемещается вдоль нее. Проводить диффузию алюминия методом открытой трубы можно по-разному. В первом случае кремниевые пластины чередуются с дисками из сильнолегированного алюминием кремния, являющегося источником. При температуре диффузии 1200 єС алюминий из источника в потоке газа переносится в кремний. Во втором случае источник алюминия в элементарной форме устанавливается перед пластинами. Пары испаряющегося алюминия в потоке газа поступают к кремниевым пластинам.

Оксидирование как составная часть процесса изготовления мощных тиристоров применяется, в частности, для получения диоксида кремния. Последний используется в качестве маскирующего слоя при селективной диффузии фосфора или бора, а также для пассивации поверхности или в виде поверхностного слоя при формировании рисунка металлизированных контактов.

Катодный эмиттер мощного тиристора и анодный эмиттер запираемых и проводящих в обратном направлении тиристоров имеют определенную конфигурацию, включая, например, шунты эмиттера. Это достигается путем планарной диффузии, т.е. диффузии через маскирующий слой с рисунком, или с помощью мезатехнологии. В последнем случае топология диффузионного перехода формируется посредством избирательного травления диффузионных слоев.

При использовании обеих технологий требуются определенные методы точного воспроизведения рисунка на поверхности кремния. Таких методов два: фотолитография и трафаретная печать.

Регулирование времени жизни неосновных носителей заряда является более специфичным процессом. Для мощных тиристоров существуют две возможности регулирования времени жизни: предотвращение образования или удаление сокращающих время жизни дефектов в процессе изготовления приборов и контролируемое уменьшение времени жизни носителей заряда для определения времени выключения или заряда обратного восстановления тиристора.

При высокотемпературной обработке мощные тиристоры по сравнению с другими полупроводниковыми приборами особенно чувствительны к действию нежелательных примесей или дефектов иного типа. Это объясняется двумя причинами: во-первых, необходимостью длительной диффузии при повышенных температурах для получения глубоких переходов и, во-вторых, использованием при функционировании приборов пластины по всей толщине, в то время как у слаботочных приборов нагружены лишь поверхностные слои, а остальная часть кремниевой пластины применяется для геттерирования нежелательных примесей.

Существуют несколько довольно непродолжительных по времени методов обнаружения примесей в кремнии. Наиболее эффективные из них- емкостная спектроскопия и метод, основанный на спаде напряжения в разомкнутой цепи.

Для мощных приборов разработаны процессы, позволяющие удалять примеси или дефекты, которые называются геттерированием. Принцип геттерирования основан на том, что примесь или дефект находится в виде твердого раствора, а не устойчивого преципитата. Путем диффузии их можно быстро переместить из критических областей прибора в неактивную зону, которой у мощного тиристора является поверхность кремниевой пластины. В дальнейшем примесь или дефект должны быть захвачены в этой некритической зоне.

Электрические контакты мощного тиристора предназначены для выполнения двух функций - подачи электрического тока к полупроводниковому прибору и передачи тепловой энергии, выделяемой тиристором, теплоотводу. Поэтому контакты тиристора должны быть хорошими проводниками электрического тока и тепла, иметь низкое контактное сопротивление и высокую стойкость к воздействию непрерывно изменяющихся температур.

При осаждении металла на поверхность кремния формируется контакт в виде барьера Шотки. Он является выпрямляющим контактом, если не используется сильнолегированный кремний. Существуют следующие методы обеспечения омических контактов мощных тиристоров: осаждение металла на сильнолегированный слой, например катодный эмиттер тиристора; применение сплавных контактов, в частности эвтектики золота и кремния для слоев n-типа или эвтектики алюминия и кремния для слоев p-типа; преднамеренное «повышение» поверхностной концентрации в процессе диффузии с образованием соответствующих поверхностей n⁺- или p⁺-типа, которые затем металлизируются, и, наконец, использование процесса спекания.

Конкретные требования к пассивирующему слою в значительной степени определяются деталями конструкции тиристора, его монтажом и областью применения. Материалы, пригодные для пассивации, подразделяются на две основные группы: твердые и мягкие. Материалы первой группы, к которым относятся стеклообразная фритта, диоксид кремния и поликристаллический кремний, обычно применяются перед последней металлизацией, так как в этом случае, как правило, требуется высокотемпературная обработка. Многие пассивирующие материалы наносятся после металлизации. К ним относятся кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды, отверждаемые при температурах ниже температуры металлизации [1].



Заключение

В курсовом проекте был рассчитан дискретный силовой тиристор.

Рассчитаны основные параметры прибора: импульсное напряжение в открытом состоянии, повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии, ударные токи в открытом состоянии, время включения и время выключения. В соответствии с рассчитанными параметрами выбран таблеточный корпус и тип тиристора, рассчитана статическая вольт-амперная характеристика тиристора. Рассмотрены основные этапы технологического процесса, с помощью которых реализуется проектируемый прибор.

Приведены чертежи топологии и структуры, конструкция проектированного прибора.



Список литературы

1 Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров/ П. Тейлор. М.: Энергоатомиздат, 1990. -208 с.

2 Евсеев Ю.А. Силовые полупроводниковые приборы: Учебник для техникумов/ Ю.А. Евсеев, П.Г. Дерменжи. М.: Энергоиздат, 1981.- 472 с.

3 Крутякова М.Г. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования: Учебник для техникумов/

М.Г. Крутякова, Н.А. Чарыков, В.В. Юдин. М.: Радио и связь, 1983.- 352 с.

4 Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн.:пер. с англ./ C.Зи. М.: Мир, 1984.

5 Герлах В. Тиристоры/ В. Герлах. М.: Энергоатомиздат, 1985.- 328 с.

6 Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: cправочник/ В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. М.: Радио и связь, 1988.-576 с.

7 Методические указания к выполнению курсового проекта «Расчет силового тиристора» по дисциплине «Твердотельная электроника» для студентов специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» /Воронеж. гос. техн. ун-т.; Сост. Т.В. Свистова. Воронеж, 2009. 31 с.;

Размещено на Allbest.ru