Расчет выпрямительного диффузионного диода

Имея значения параметров lB, л 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 с исходного кристалла. По графику зависимости удельного сопротивления от концентрации легирующей примеси [2], находим, что для N0 = 5,691013 - с = 70 Омсм.

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 (мP(Si) = 470 см2 /(Вс), ni = 1,451010 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

По данным таблицы строим ВАХ диода единичной площади приложение А.

Дальнейший расчет производится следующим образом: чтобы рассчитать мощность прямых потерь в диоде по (1.4.4) сначала необходимо определить активную площадь структуры по (1.4.5). Для определения площади зададимся стандартными значениями dB [1], угол фаски ц возьмем равным 40°. Рассчитав SАКТ, находим плотность тока jF через выпрямительный элемент при I = 2,5 IFAV по (1.4.6), далее по (1.4.7) определяем значение прямого падения напряжения для найденных значений jF. Далее по (1.4.4) рассчитываем выделяемую мощность потерь. Для определения отводимой мощности от выпрямительного элемента воспользуемся формулой (1.4.10). По таблице 4.1 для заданного URRM = 2000 В находим Tjm=175°C, Tc=125°C. Значения Rthjc для различных типов корпусов (возьмем таблеточную конструкцию, штыревую с паяными контактами и штыревую с прижимными контактами) приводятся в [1]. Вычислив значения SАКТ, jF , UF(2,5IFAV), PВЫД и PОТВ для каждого из принятых диаметров занесем все в таблицу.

Таблица 2.3.1

По данным таблицы 2.3.1 строим график зависимости выделяемой и отводимой мощности от диаметра выпрямительного элемента (Приложение В), по которому из условия (1.4.3) выбираем таблеточный корпус с dB = 24 мм. Для которого Pвыд =448 Вт а Pотв = 312 Вт, следовательно условие (1.4.3) выполняется.

Так как найденное по графику значение dB=21мм, а выбранное нами dB = 24 мм то температуру корпуса диода, при которой устанавливается предельный ток, можно повысить до значения [3]:

°C

2.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов

Сначала проведем проверку по импульсному прямому падению напряжения UFM. Для нахождения UFM при выбранном dB = 24 мм рассчитываем активную площадь структуры по (1.4.5):

см2.

Затем определим максимальное значение плотности тока в прямом направлении по (1.5.1):

А/см2.

Далее по (1.4.7) находим UFM и сразу же учтем падение напряжения на омических контактах равное 0.05 В.

Полученное значение UFM = 1,4 В, что меньше заданного.

Теперь рассчитаем значение повторяющегося импульсного обратного тока IRRM по (1.5.2), где учтем только IS (1.5.3) и Ig (1.5.7), но сначала рассчитаем входящие в них температурно-зависимые параметры при Tjm = 175°C.

см-3.

мкс.

Tn= T/300 = (175+273)/300 = 1,49.

см2/(Вс).

см2/с.

Так как структура нашего выпрямительного элемента p+- n то электронной составляющей в (1.5.3) можно пренебречь тогда:

А/см2.

Для определения тока термогенерации Ig по (1.5.7) найдем сначала ширину области объемного заряда при повторяющемся импульсном обратном напряжении l(URRM) по (1.5.8):

мкм.

Так как расширение области объемного заряда в базу ограничивается сильнолегированной n+ то после определения l следует вычислить распространение области объемного заряда в базовые области по (1.5.10)-(1.5.11):

мкм.

мкм.

И если так как ln=195,73 мкм при напряжении URRM больше dn=175 мкм (см. рисунок 1.4.1), то ширину области объемного заряда следует найти по (1.5.12).

мкм.

Зная l(URRM) рассчитаем jg:

А/см2.

После определения плотностей тока насыщения и генерационного тока рассчитаем повторяющийся импульсный обратный ток диода по (1/5.14), для чего рассчитаем площадь большего омического контакта по (1/5.15):

см2.

Тогда:

А/см2.

Найденное значение IRRM меньше заданного, следовательно, расчет верен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был рассчитан выпрямительный диффузионный диод со следующими параметрами:

повторяющееся импульсное обратное напряжение: URRM = 2000 B,

максимально допустимый прямой ток: IFAV = 350 A,

обратный допустимый ток IRRM ? 70 мА,

прямое падение напряжения UFM ? 1,5 В,

концентрация легирующей примеси в исходном кристалле Nd = 5,68 1013,

удельное сопротивление исходного кристалла = 70 Омсм,

толщина структуры W = 270 мкм,

глубина залегания p - n-перехода xj = 55 мкм,

параметры диффузии Dt = 2,17 10-6 см-2,

диаметр выпрямительного элемента dВ = 24 мм,

угол обратной фаски = 40°,

максимальная температура корпуса TC = 140°C.

Конструкция корпуса диода - таблеточная.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Сережкин Ю. Н., Ионычев В. К. Проектирование полупроводниковых низкочастотных выпрямительных диодов: Учебн. пособие. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2000. - 60 с.

2 Маллер Р., Кейменс Т. Элементы интегральных схем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 630 с., ил.

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

Приложение А

(Обязательное)

Приложение Б

(Обязательное)

Приложение В

(Справочное)

1, 7 - основания;

2, 5 - медные или кованые манжеты;

3 - изолятор;

4 - керамический корпус;

6 - гибкая кольцевая медная мембрана;

8 - выпрямительный элемент.

Приложение В

(Справочное)

1- основание,

2- стальной стакан,

3- стальная манжета,

4- керамический изолятор,

5- медная трубка,

6- наконечник,

7- внешний вывод,

8- нижний конец внешнего вывода,

9- внутренний вывод,

10- тарельчатые пружины,

11- изолятор,

12- выпрямительный элемент.

Страницы: 1, 2, 3