книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

Время выключения tq с учетом (6.32) можно представить при этом в виде, аналогичном (6.37):

остальные обозначения аналогичны принятым в § 6.2. Постоянная времени тн определяется как единственный поло­

жительный корень уравнения

< i - * ‘ > F ’ + * - - T T e x p ( ^ ) - 7 Г « Р ( -<£?-*)>•

Если ОПЗ коллекторного перехода не охватывает всю толщи­ ну базы rii, плотность заряда фпак определяется из выражения {6.27) работы [2.6]. Если же ОПЗ коллекторного перехода охва­ тывает всю толщину базы щ, то

где Ф — интеграл вероятности.

Если *см>*4, т. е. ОПЗ коллекторного перехода не охватыва­ ет всю толщину базы пи в (7.26) *См следует заменить на /4, пос­ ле чего оно совпадает с (6.28) работы [2.6].

151

При записи (7.19) принято, что плотностями зарядов Qit и Qj, , расходуемых на компенсацию областей пространственного заряда эмиттерных переходов, можно пренебречь.

Для асимметричного тиристора разумно предположить, что на­ чальное распределение дырок р2(х2, U) равномерно по толщине базы п\. Тогда для коэффициента ш0 справедливы следующие вы­ ражения:

<7 - 2 7 >

Полученные выражения позволяют рассчитать т а т е крити­

7.3.ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВЫКЛЮЧЕНИЯ ТИРИСТОРА-ДИОДА

Как уже отмечалось, тиристор-диод представляет собой прибор, в котором асимметричный тиристор и диод, изготовленные на од­ ной полупроводниковой пластине, соединены встречно-параллель­ но друг с другом. Схематически полупроводниковая структура ти­ ристора-диода изображена 'на рис. 7.7,а. Видно, что тиристорная

ослабить влияние заряда, накопленного в базе ДС, на время вы-, ключения ТС и, следовательно, прибора в целом. Конструктивно ДС и ТС могут иметь различную конфигурацию. В частности, ДС иногда изготавливается в центральной части пластины, иног­ да в форме периферийного кольца, охватывающего ТС, или в ви­ де сектора.

Зависимости тока и напряжения от времени на тиристоре-дио­ де в процессе его выключения аналогичны изображенным на рис. 7.2,в и г. При этом благодаря отсутствию паразитной индук­ тивности проводов, соединяющих дискретные диод и тиристор, всегда tqu^ tqi.

Анализ процесса выключения тиристора-диода сводится к рас­ чету плотности избыточного заряда Q2{t2) в базе п\ ТС, аналогии-* ного соответствующему расчету для асимметричного тиристора

152

(см. § 7.2), расчету плотности заряда 8<22д(*3). вносимого в ба­ зу п\ ТС из базы п\ ДС, и расчету собственно времени выключе­

В принципе Q2JX(t3) можно рассчитывать и по нелинейной мо­ дели, решая уравнение, аналогичное (6.13). Однако при измене­ нии тока по синусоидальному закону решение этого уравнения возможно только численными методами на ЭВМ. Приближенно можно полагать, что при т. е. в период, когда через ДС протекает максимальный ток, плотность заряда в базе ДС соот­ ветствует квазистационарному случаю и ориентировочно опреде-

153

[7.12], в которой аналогичный расчет выполнен для симметрично­

где /„ = /тз/(261тз) — нормированная ширина ТЗ; 1тз— амбиполярная диффузионная длина электронов и дырок в базе пх ТЗ; у0= = ^ гд^ Я ^ о^а)—'Нормированная плотность заряда на границе ДС

Очевидно, что если 8Q2A(/3) < Qa(^3). т0 ДС не влияет на время выключения ТС. Расчет tq выполняется при этом по (7.20). Если же 8Q2fl(#3)> Q 2(^). то расчет tq выполняется по этой же формуле с за­ меной Qa(t3) на 8<3гд (ta).

Рассмотрим в качестве примера расчет времени выключения асимметричного тиристора со следующими значениями парамет­

154

асимметричного тиристора равно приблизительно 2500 В при ря= = 90 Ом-см и 3400 В при р„=200 Ом-см, что примерно в 1,5 и 2 раза выше напряжения переключения обычного тиристора такой же толщины, рассмотренного в § 6.2.

Расчеты выполнены для следующего режима выключения ти­ ристора: 1Т= 250 А; с0=25 А/мкс; du/dt= 100 В/мкс; UD= = 1500 B <C /CM*t=2500 В при р„=90 Ом-см и UD= 2000 В > £ /сн^ =ьЛ150 В при рп=200 Ом-см. Рассматривались три модели тири­ стора: линейная (модель 1), соответствующая исследованной в [7.3, 7.5], нелинейная (модель 2), учитывающая эффекты, рас­ смотренные в § 6.2 и 7.2, только на этапе спада тока в открытом состоянии, и нелинейная (модель 3), учитывающая рассмотренные в § 6.2 и 7.2 эффекты как на этапе спада тока, так и на этапе обратного смещения тиристора.

Результаты расчета представлены в таблице, причем в графе 4 указан принятый при расчетах уровень инжекции в базе П\ на пос­ леднем этапе процесса выключения — на этапе нарастания анод­ ного напряжения.

Из таблицы следует что в рассмотренных примерах расчета

155

При p„ = 200 Ом-см, Rj3= 2,25 См-см2 иЯ/. — оо тиристор в рас­

жения при этих параметрах). Однако при fy ,= 10 Ом-см2 и особенно

данные для тиристора-диода с параметрами, близкими к примя­ тым при расчетах. Видно, что расчетные и экспериментальные данные хорошо совпадают между собой. При /™ ^ 500 А выпол­ няется условие 8Q2fl(f3)^ Q 2(<3).

Глава в о с ь м а я

ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ

8.1. ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ ПРОТИ

Описанные в предыдущих главах модели основных характери­ стик силовых тиристоров и диодов можно использовать для ана­ лиза и синтеза структуры СПП|.

Программы анализа позволяют рассчитать электрические и эксплуатационные характеристики по известным, электрофизиче­ ским параметрам многослойной структуры и конструкции. В хо­ де работы с этими программами обычно ставится цель исследо­ вать зависимость тех или иных характеристик от внутренних параметров структуры, изучить влияние различных факторов (на­ пример, толщины базы, времени жизни подвижных носителей за­ ряда, удельного сопротивления кремния и др.) на статические и динамические параметры тиристоров, токи аварийной перегрузки.

Программы синтеза позволяют определить оптимальные пара­ метры кремниевой многослойной структуры, конструкцию прибора. Ниже будет рассмотрен пакет программ для проектирования ти­ ристоров ПРОТИ.

НАЗНАЧЕНИЕ И ВОЗМОЖНОСТИ ПАКЕТА ПРОГРАММ ПРОТИ

Пакет программ ПРОТИ предназначен для решения задачи синтеза р-п-р-п структуры тиристора по заданным требованиям к его электрическим характеристикам.' Пакет может быть исполь1 зован на различных этапах процесса проектирования, в том чис-

156

ле при анализе физической реализуемости требований проектатехнического задания, при расчете и оптимизации параметров; кремниевой структуры.

Пакет прикладных программ (ППП) ПРОТИ позволяет рас­ считывать следующие параметры кремниевой четырехслойной: структуры [2.7, 8.2]:

время жизни дырок в п-базе тр; толщину кремниевой структуры №Si; толщину n-базы Wn\

удельное сопротивление исходного кремния р; критический заряд включения;

диаметр кремниевой шайбы d\

максимально допустимое значение внутреннего теплового со­ противления структура — корпус $thjc•

Ряд параметров кремниевой структуры в настоящее время нерассчитывается и используется в ПРОТИ в качестве исходных данных. Некоторые из них, такие, как параметры распределе­ ния примеси в диффузионных слоях, определяются принятым тех­ нологическим процессом. В ПРОТИ предусмотрена возможность, варьировать значения исходных параметров, что позволяет иссле­ довать их влияние на выходные характеристики тиристора.

В качестве основных исходных данных используются требова­ ния технического задания на следующие характеристики прибора:

повторяющееся напряжение U D R M \

критическая скорость нарастания анодного напряжения-

(dUD/dt)Crif,

время выключения tq.

Требования на остальные характеристики тиристора: ударный ток /уД(/т 5м);

ток аварийной перегрузки /лп в режиме с приложением пря­ мого напряжения;

ток в закрытом состоянии или обратный ток 1DRM, TR R M ; средний ток в открытом состоянии I T A V \

импульсное напряжение в открытом состоянии U TM, учитыва­ ются при выборе диаметра кремниевого диска d. В одном из ва­ риантов процедуры расчета в качестве исходного параметра ис­ пользуется время жизни дырок в n-базе, а не время выключения.

Структурная схема ПРОТИ, на которой указаны основные мо­ дули и их взаимосвязь, показана на рис. 8.1.

Логическая процедура проектирования может быть представ­ лена следующим образом.

1. Значение времени жизни при высоком уровне инжекции тр» приближенно рассчитывается в модуле TAYP из заданного в тех­ ническом задании значения времени выключения или задается как входной параметр.

2. По заданному значению повторяющегося напряжения при известной глубине залегания центрального р-п перехода х,- и по-

157Г

верхностной концентрации алюминия Ns (входные параметры) находится удельное сопротивление исходного кремния р.

3. По рассчитанному в модуле TAYP значению времени жизни дырок при низком уровне инжекции три в модуле NBASE рассчи­ тывается толщина я-базы Wn и кремниевой структуры l^si.

4. В модуле ОВТОК рассчитывается плотность обратного то­ ка (тока утечки) тиристора.

5.Рассчитывается плотность ударного тока (в модуле BREAK) или тока аварийной перегрузки (в модуле АРТОК).

6.По заданной в техническом задании максимальной вели­ чине (dUD/dt)cTit в модуле QKRIT рассчитывается критический

AREA рассчитывается диаметр кремниевого диска d и активная площадь прибора SA.

15 8

9. Для выбранного диаметра структуры d и для нескольких значений d в ряду диаметров, рекомендованных для использова­

10.В модуле TBVK для выбранного d и рассчитанного значе­ ния QKp определяется время выключения tq.

11.При необходимости по результатам п.10 проводится кор­ ректировка Хрв и расчет повторяется.

В ПРОТИ предусмотрен также другой вариант расчета, в ко­ тором диаметр кремниевой структуры не определяется, а являет­ ся входным параметром, и по заданному значению Rthjc находит­ ся предельный ток.

Рассмотрим более подробно модули ППП ПРОТИ.

СОСТАВ ПАКЕТА ПРОТИ

Модуль расчета параметров п-базы (NBASE).

Wn и удельное сопротивление кремния р по заданным в техниче­ ском задании максимально допустимому повторяющемуся напря­ жению U D R M и времени жизни дырок в n-базе при низком уров­ не инжекции ТрН.

По заданному U D R M можно найти максимальное напряжение UM, которое обычно определяют как 1,33 U DR M • По заданному то­

ной ширине n-базы, так как в этом случае будут меньше остаточ­ ное падение напряжения и лучше динамические характеристики.

159

данном Uи, можно получить различные значения р, которым бу­ дут соответствовать определенные значения Wn из (8.2).

При этом полагается, что для принятого технологического про­ цесса между р и UBO существует однозначное соответствие, так

.как известны глубина залегания р-п перехода, закон распределе­ ния и поверхностная концентрация примеси. На рис. 8.2 показана типичная зависимость Wn(K\). Кривая имеет минимум, соответст­ вующий Kic*0,8-M),85. Этот результат близок к полученному в

[2.15].

Положение минимума совпадает для СПП различных типов и имеет ясный физический смысл. Если /Ci<0,8, то заданному зна­ чению иы соответствуют большие U(Bo) и р, при этом Л1Р(£/М)~ 1 ;

Xnr-'ip — велико; Wn> хп и также велико. Если Ki>0,9, UM^ U Bo, поэтому вследствие умножения дырок Мр(£/м)> 1 , арил: , , неве­ лики. Но вследствие роста MP(UN) коэффициент передачи через

На рис. 8.3 построена зависимость Кг (К) при различных зна­ чениях К\. При комнатной температуре К=7м/^коЛ4е>10-г-20. По­ этому для различных Ki Кг=0,25-4-0,5. При предельной темпера-

160