скачать рефераты

скачать рефераты
Рус Укр Eng
 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Расчет и проектирование диода на основе кремния скачать рефераты

Расчет и проектирование диода на основе кремния

СОДЕРЖАНИЕ

  • ВВЕДЕНИЕ 2
    • 1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 4
      • 1.1 Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов. 6
      • 1.2 Параметры полупроводниковых диодов 8
      • 1.3 Силовые полупроводниковые выпрямительные диоды 10
      • 1.5 Низкочастотные параметры диода 19
    • 2 РАСЧЕТ и исследование мощных низкочастотных диодов на основе кремния 22
      • 2.1 Расчет параметров диода 22
      • 2.2 Расчет вольтамперных характеристик при малых плотностях тока 22
      • 2.3 Модуляция базы при высоких уровнях инжекции 24
      • 2.4 Время жизни ННЗ: включение диодов и спад послеинжекционной эдс 25
      • 2.4 Особенности переходных характеристик диодов с р-базой 27
      • 2.6 Расчет ВАХ при высоких плотностях прямого тока: влияние электронно-дырочного рассеяния 28
      • 2.7 Методы производства диодов 29
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
  • ВЫВОДЫ 33
  • СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34
ВВЕДЕНИЕ

Силовая электроника первоначально возникла как область техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значительно расширить функциональные возможности, силовых электронных устройств и соответственно области их применения.

Однако, несмотря на интенсивное расширение функций аппаратов силовой электроники и областей их применения основные научно-технические проблемы и задачи, решаемые в области силовой электроники, связаны с. преобразованием электрической энергии.

Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц (за исключением США и некоторых других стран, где за основную принята частота 60 Гц) в виде постоянного тока (свыше 20% всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии.

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

1) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);

2) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);

3) преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).

Существует также ряд других, менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаях используется комбинация нескольких видов преобразования. Кроме того, электроэнергия может преобразовываться с целью улучшения качества ее параметров, например для стабилизации напряжения или частоты переменного тока. i

Основными элементами силовой электроники, ставшими базой для создания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы. Проводимость большинства полупроводниковых приборов в существенной мере зависит от направления электрического тока: в прямом направлении их проводимость велика, в обратном - мала (т. е. полупроводниковый прибор имеет два явно выраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемыми и управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокой проводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности. Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их использованию для преобразования электроэнергии были работы академиков В. Ф. Миткевича, Н. Д. Папелекси и др.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода.

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником (переход Шотки).

В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два омических перехода, через которые p- и n-области диода соединены выводами (рис. 1.1,а). В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всего один омический переход (рис. 1.1,б).

Рисунок 1.1 - Структура полупроводниковых диодов:

а) с выпрямляющим электрическим переходом в виде p-n перехода;

б) с выпрямляющим электрическим переходом на контакте между металлом и полупроводником;

В - выпрямляющие электрические переходы;

Н - невыпрямляющие (омические) переходы.

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные p-n переходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n переходе, то есть при прямом направлении для p-n перехода, количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированной в слаболегированной область, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. Область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей заряда, называют базой диода. Следовательно, в диоде базовой областью является слаболегированная область [4].

Если к диоду с несимметричным p-n переходом приложено напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n переходе, то есть в обратном направлении для p-n перехода, то экстракция неосновных носителей заряда будет происходить в основном из базы диода. Таким образом, база диода может оказывать существенное влияние на характеристики и параметры диода.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая по значению из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.

Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.

Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.

В выпрямляющем электрическом переходе и прилегающих к нему областях происходят разнообразные физические процессы, которые могут приводить к эффекту выпрямления, к нелинейному росту тока с увеличением напряжения, к лавинному размножению носителей заряда при ударной ионизации атомов полупроводника, к туннелированию носителей сквозь потенциальный барьер выпрямляющего p-n перехода как при обратном, так в определенных условиях и при прямом напряжении, к изменению барьерной емкости с изменением напряжения, к эффекту накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в прилегающих к выпрямляющему переходу областях. Все эти эффекты используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных, смесительных, переключательных и детекторных, диодов с резким восстановлением обратного сопротивления, стабилитронов, стабисторов, шумовых, лавинно - пролетных, туннельных и обращенных диодов, варикапов. Некоторые из перечисленных эффектов являются нежелательными и даже вредными в одних диодах, но в других диодах эти, же эффекты могут служить основой принципа действия [4].

1.1 Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции.

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1) По конструкции:

- плоскостные диоды;

- точечные диоды;

- микросплавные диоды.

2) По мощности:

- маломощные;

- средней мощности;

- мощные.

3) По частоте:

- низкочастотные;

- высокочастотные;

- СВЧ.

4) По функциональному назначению:

- выпрямительные диоды;

- импульсные диоды;

- стабилитроны;

- варикапы;

- светодиоды;

- тоннельные диоды и так далее.

У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь n - перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую емкость n - перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.

Рисунок 1.2. - Принцип устройства точечного диода

Принцип устройства точечного диода показан на рис. 1.2. Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный n-р-переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскостными диодами заключается в площади n - перехода [6] .

1.2 Параметры полупроводниковых диодов

Рабочий интервал температур.

При повышении температуры растет собственная электропроводность проводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.

Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах , а для кремниевых в пределах . При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристалла из-за увеличивающейся хрупкости.

Допустимое обратное напряжение

Обычно за допустимое обратное напряжение принимается величина:

где - напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.

Значение зависит от температуры и от удельного сопротивления полупроводника . Последнее объясняется тем, что напряженность поля p-n перехода, а значит и напряжение пробоя зависят от ширины перехода, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей, т.е. от удельного сопротивления полупроводника. Так как p-n переход тем шире, чем больше удельное сопротивление полупроводника, то и будет тем больше, чем больше удельное сопротивление исходного материала.

Если требуется получить большое выпрямленное напряжение, при котором к диоду будет приложено обратное напряжение большее, чем допустимое, применяют последовательное включение диодов. Так как величины обратных сопротивлений диодов не одинаковы, то обратные напряжения при последовательном включении распределяются между диодами неравномерно и диод, имеющий большее обратное сопротивление, может быть пробит. Во избежание этого каждый из последовательно включенных диодов шунтируют сопротивлением такой величины, чтобы распределение напряжений на диодах в основном определялось этими сопротивлениями.

Допустимый выпрямленный ток

Так как при протекании тока возрастает температура перехода, то величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой перехода. Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой величины, можно включить несколько диодов параллельно. Так как диоды обладают разным прямым сопротивлением, то токи распределяются равномерно и может оказаться, что ток, протекающий через диод с наименьшим сопротивлением, превысит допустимое значение. Во избежание этого последовательно с каждым из диодов включается сопротивление.

Предельно допустимая мощность рассеивания .

Предельно допустимая мощность рассеивания зависит от конструкции диода, так и от температуры окружающей среды, т.е. от условий охлаждения.

Очевидно, что рабочие режимы в схемах надо выбирать так, чтобы:

где I - ток, протекающий через диод,

U - напряжение, приложенное к диоду.

1.3 Силовые полупроводниковые выпрямительные диоды

Силовой (мощные) полупроводниковый выпрямительный диод (далее просто диод) представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из двух граничащих между собой слоев полупроводника дырочного р- и электронного n-типов, образующих один электронно-дырочный переход (рис. 1.3). Стороны слоев полупроводниковой структуры, противоположные сторонам, образующим р-n-переход, соединены с металлическими контактами, образующими внешние контактные выводы диода. Вывод, соединенный с р-слоем структуры, называется анодным выводом диода А, а вывод, соединенный с n-слоем структуры, катодным выводом диода К. На этом же рисунке приведено символическое изображение диода.

Рисунок 1.3. - Структура (а, б) и обозначение (в) силового диода

Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока низкой частоты (до 50кГц) в ток одного направления (выпрямление переменного тока). Обычно рабочие частоты выпрямительных ПД малой и средней мощности не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности - 50 Гц.

Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его свойством проводить ток в одном направлении (ток насыщения очень мал).

В связи с применением выпрямительных диодов к их характеристикам и параметрам предъявляются следующие требования:

а) малый обратный ток ;

б) большое обратное напряжение;

в) большой прямой ток;

г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.

Для того чтобы обеспечить эти требования, выпрямительные диоды выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным сопротивлением, что увеличивает допустимое обратное напряжение. Для получения в прямом направлении больших токов и малых падений напряжения следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.

Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным сопротивлением, причем Si является наиболее перспективным материалом.

Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны [1] , имеют во много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности, отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше. Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в прямом направлении.

Зависимость вольтамперной характеристики кремниевого диода от температуры показана на рис.2.2.

Рисунок 1.4 - Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Из рисунка 1.4 следует, что ход прямой ветви вольтамперных характеристик при изменении температуры изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной температуре.

Количество неосновных носителей заряда определяется температурой и поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильно зависит от температуры, причем эта зависимость резко выражена для германиевых диодов. Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации возрастает при повышении температуры. Это объясняется тем, что при повышении температуры увеличиваются тепловые колебания решетки, уменьшается длина свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное напряжение. При тепловом пробое при повышении температуры уменьшается.

В некотором интервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых диодов - электрическим. Это определяет значения при заданной температуре. При комнатной температуре значения для германиевых диодов обычно не превышают 400В, а для кремниевых - 1500В.

Страницы: 1, 2