книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

туре для тиристора (обычно ГпреД=125°С) расчет дает несколько иные значения Ki и /(2. Действительно, напряжение пробоя возра­

т. е. К2 не зависит от К\~

Кривые для /(i < 0,8 на рис. 8.3 практически совпадают с кри­ вой 1. Учтем также, что при высокой температуре возрастает об­ ратный ток /ко и К=1м/1каМе снижается до значений 5—10. По кривой 1 определяем /С2 для предельной температуры: К2~0,5-*- 0,6. Таким образом, если толщина базы Wn будет превышать слой объемного заряда хп при U=UHна (0,5—0,6) Lp {Wn=XnA- -f-/(2Lp), значения р и Wn будут близкими к оптимальным в диа­ пазоне температур для большинства типов тиристоров.

Вышеприведенный расчет Wn и р выполнен без учета техноло­ гических и конструктивных особенностей отдельных типов СПП. Так, у тиристоров большого диаметра (80— 100 мм) вследствие значительной неоднородности структуры по площади толщину п- базы целесообразно несколько увеличить (/(2яь0,6-*-0,7).

Для быстровосстанавливающихся (быстродействующих) тири­ сторов характерны малые значения хРи Lp и соответственно боль* шие плотности токов утечки. При повышенной температуре у этих

боров высоковольтных групп в производстве. Поэтому для быстро­ восстанавливающихся приборов приходится идти на увеличение толщины л-базы по сравнению с оптимальным значением и при­ нимать /С2~0,8-^1.

В последнее время установлено, что напряжение пробоя р-п переходов, изготовленных на основе радиационно-легированного кремния (РЛК), имеющего то же среднее значение удельного со­ противления, что и кремний других марок, оказывается выше на 10— 15 %. Для СПП, изготавливаемых из РЛК, в ПРОТИ прово­ дится соответствующая коррекция, и удельное сопротивление кремния для заданного Uu оказывается меньше.

Модуль расчета времени жизни дырок в n-базе TAYP

6модуле TAYP определяются значения времени жизни дырок

вл-базе при низком и высоком уровнях инжекции, которые затем используются в других модулях ППП ПРОТИ для расчета харак-

теристик силового тиристора. Влияние уровня инжекции на время жизни различно для приборов разных типов. Это объясняется, в частности, тем, что легирующие примеси могут быть различными, причем в производстве низкочастотных тиристоров вид и свойст­ ва этой примеси не всегда известны. Эффективное время жизни при высоком уровне инжекции зависит от времени жизни в диффу­ зионных слоях, примыкающих « л-области и залитых электронно­ дырочной плазмой. Связь трв и трн в ПРОТИ отражает коэффи­ циент /Сз:

Три— /СзТрв.

Эксперимент показал, что /Сз^1,8 для быстровосстанавливающихся приборов, легированных золотом, и /Сз=^2 для низкочастот­ ных тиристоров.

Температурная зависимость времени жизни имеет большой разброс. Для низкочастотных тиристоров, как показали экспери­ ментальные исследования, при увеличении температуры от 20 до 125 °С время жизни возрастало в среднем в 1,5—2 раза. Экспери­ ментальные зависимости тР(Т) в случае легирования тиристоров золотом взяты из [8.2].

Вмодуле TAYP предусмотрено два варианта определения вре­ мени жизни. В одном варианте время жизни задается в качестве исходного параметра.

Вдругом варианте трв при комнатной температуре прибли­

женно находится по заданному времени выключения и далее кор­ ректируется в процессе расчета.

Модуль расчета остаточного падения напряжения ВАХ1

Этот модуль используется для расчета среднего тока в откры­ том состоянии I T A V и U t m .

В модуле используется модель прямой ВАХ с диффузионны­ ми переходами и ступенчатым распределением времени жизни, развитая в [3.52]. (Более сложные математические модели пря­ мой ВАХ, учитывающие плавный характер распределения време­ ни жизни в диффузионных слоях и ряд других эффектов и опи­ санные в гл. 3, были разработаны в последнее время и в ПРОТИ не вошли.) В модели учтено увеличение эффективной ширины вы­ сокоомной базы в результате «заливания» подвижными носителя­ ми заряда p-слоев, образованных диффузией алюминия. Умень­ шение времени жизни в p-слоях по сравнению с л-слоем приво­ дит к снижению эффективного времени жизни в промодулированных подвижными носителями заряда внутренних областях структуры. Значение трЭф зависит от размеров заливаемых участков диффу­ зионных слоев и времени жизни в этих слоях. Для случая, когда время жизни в диффузионных областях падает примерно на, по­ рядок, расчет дает значение трэф*&0,4трв. Поскольку распределе­ ние времени жизни в диффузионных слоях зависит от режима тер-

162

мообработки в технологическом процессе, легирующей примеси и других факторов, в ПРОТИ используется зависимость

сывается в модуле ВАХ1 на основе [3.13—3.15]. Поскольку плот­ ности предельных токов лежат в диапазоне от 100 до 400 А/см2 для всех разрабатываемых тиристоров, в ПРОТИ взята простая аппроксимация зависимости рПр(/г), обеспечивающая хорошее со­ впадение теории и эксперимента в диапазоне концентраций Я до 1017 см -3.

Температурная зависимость ВАХ может оказаться важным фактором, влияющим на точность расчета UTM. В принципе сле­ дует определять UTM при предельной температуре, так как тем­ пература структуры при I = I TAV равна предельно допустимой. Однако для большинства тиристоров точка инверсии ВАХ нахо­

(20°С). В этом случае проводится коррекция UTM.

Модули расчета тока в закрытом состоянии (обратного тока) ОВТОК, тока аварийной перегрузки АРТОК, ударного тока BREAK

В модуле ОВТОК использованы соотношения, приведенные в гл. 2. В расчетах не учитывалась поверхностная составляющая. Ток определяется при U = U DRM, когда умножение можно не учи­

тывать, так как UDRM<0,7U{BO).

Модуль АРТОК позволяет рассчитывать ток аварийной пере­ грузки в режиме с приложением прямого положительного напря­ жения (импульс тока 10 мс, через 1 мс прикладывается напря­ жение с амплитудой 900 В, нарастающее со скоростью

0,25 В/мкс).

Критическая температура области центрального р-п перехода достигается при /~13,5 мс. Температурная зависимость напря­ жения переключения определяется из эксперимента. Модуль по­ строен на основе соотношений, приведенных в гл. 5.

В модуле BREAK рассчитывается амплитуда одиночного си­ нусоидального импульса тока длительностью 10 мс, приводяще­ го к разрушению прибора. Соответствующая модель описана в гл. 5.

Модули расчета критического заряда включения QKRIT и времени выключения TBVK

Модуль QKRIT предназначен для расчета критического заря­ да включения из заданной в техническом задании предельной ско­ рости нарастания анодного напряжения (dUD/dt)Crit. Найденное значение QKP используется в модуле TBVK для расчета времени выключения. Модуль QKRIT позволяет рассчитывать QKP при различной полярности предварительного смещения на тиристоре. Модель использует соотношения, описанные в [2.6].

Время выключения рассчитывается по формулам [2.6], связы­ вающим время выключения с электрофизическими и геометриче­ скими параметрами кремниевой структуры, критическим зарядом и режимом измерения.

Модуль расчета активной площади прибора и диаметра выпрямительного элемента AREA

Активной площадью Sa является площадь катодного п+-р пе­ рехода за вычетом площади шунтов. Она связана с диаметром кремниевой пластины соотношением

S.= [ - j - ( t f - 2 y - S , .. ] ( l - < № S ) .

ношению площади, занятой шунтами, к площади катода.

При расчете Sa в модуле AREA учитываются требования тех­ нического задания на величины I DRM, UTMt I D R M , I T S M . Может оказаться, что эти требования на все четыре параметра физиче­ ски несовместимы. В этом случае для принятия решения о коррек­ ции ТЗ проектировщик имеет возможность получить результаты расчета этих параметров для ряда диаметров кремниевой пла­ стины. В программе задается приоритет параметров, позволяю­ щий выбрать d при невозможности удовлетворить всем требова­ ниям технического задания. Выбор d осуществляется перебором диаметров, рекомендованных для использования в производстве СПП. По заданному I T A V определяется для каждого диаметра d средняя выделяемая мощность через динамическое сопротивле­ ние и пороговое напряжение, которые рассчитываются в модуле

тепловое сопротивление, обеспечивающее перегрев не выше Д7доп.

Найденное значение Rth\c сравнивается с величиной Rthjc, ука­ занной в техническом задании. Значение I T A V используется также для расчета U TM (в модуле ВАХ1). Значение ударного тока I T S M (или тока аварийной перегрузки / Ап) находится умножением со­ ответствующей плотности тока, полученной в модуле BREAK (или

164

АРТОК), на Sa. Для расчета 1DRM п л отн ость тока JDRM, рассчи­ танная в модуле ОВТОК, умножается на площадь, занятую цент­ ральным р-п переходом. При выборе диаметра кремниевой пла­ стины для каждого d проводится сравнение расчетных значений

R th fn U T M , I T S M , 1 а п 1D R M с соответствующими значениями, ука­ занными в техническом задании на прибор. В результате расчета характеристик силового тиристора для ряда значений d (обыч­ но для четырех) находятся указанные выше основные параметры. Проектировщик выбирает минимальное значение d, при котором удовлетворяются все или основные заданные величины Rthtc, U T M ,

I T S M , I T A V , IDRM -

Подготовка исходных данных

При использовании ППП ПРОТИ следует задать значения входных пара­ метров.

1.Толщина части анодного p-слоя, образованной диффузией алюминия.

2.Толщина части анодного p-слоя, образованной диффузией бора (или галлия).

3.Толщина п+-слоя ТРП+.

4.Поверхностная концентрация алюминия Ns-

5.Толщина части p-базы, образованной диффузией алюминия.

6. Глубина залегания центрального р-п перехода х,-.

7.Время жизни дырок в п-базе при низком уровне инжекции (в одном из вариантов расчета; в другом варианте тРн рассчитывается по заданному времени выключения).

8.Тепловое сопротивление прижимного контакта на единицу площади (для

паяных и сплавных контактов # к= 0 ).

9.Протяженность фаски.

10.Площадь управляющего электрода.

11.Относительная площадь шунтов.

12. Температурный коэффициент динамического сопротивления тиристора

впроводящем состоянии р.

13.Предельно допустимая температура кремниевой структуры.

14.Параметры режима измерения для расчета ударного тока (начальная температура структуры, длительность импульса ударного тока).

15.Параметры режима измерения и структуры для расчета импульса тока аварийно» перегрузки в режиме с приложением прямого напряжения (начальная температура структуры, длительность импульса тока, критическая температура

7\ф области центрального р-п перехода, момент времени t* после подачи импуль­ са тока, в который температура достигает значения Гкр).

16. Предварительное прямое (или обратное) смещение на тиристоре при по­ даче импульса напряжения со скоростью нарастания (dUD/dt) спи Чаще всего используется режим, когда предварительное смещение задается равным нулю.

17.Параметры режима измерения времени выключения .(скорость спада пря­ мого тока, обратное напряжение, скорость нарастания вновь подаваемого пря­ мого напряжения и его значение, амплитуда тока перед началом процесса вы­ ключения) .

18.Параметры, оговоренные в ТЗ на разрабатываемый тиристор:

165

повторяющееся напряжение; средний ток;

допустимый перегрев кремниевой структуры на среднем токе; импульсное напряжение в открытом состоянии; ударный ток или ток аварийной перегрузки; обратный ток (ток в закрытом состоянии); время выключения; тепловое сопротивление структура — корпус;

критическая скорость нарастания анодного напряжения;

диаметр кремниевой структуры d (если он рассчитывается, то значение d

задается произвольно); минимальная технологически допустимая толщина кремниевой пластины.

Типичные значения задаваемых параметров — это удельное контактное теп­ ловое сопротивление Як— 0,1 К*см2/В т и критическая температура, которая со­

ставляет 170±30°С.

Кроме параметров, указанных выше, для расчетов необходимо определить значения коэффициентов Ki—Л4, которые зависят от типа проектируемого тири­

стора и особенностей технологии.

В ПРОТИ реализовано два варианта процедуры расчета. В первом варианте рекомендуемый диаметр кремниевого диска находится из требуемых в техниче­ ском задании значений выходных параметров с учетом заданного приоритета параметров. Во втором варианте СПП рассчитывается на заданный диаметр, который задается как входной параметр. В первом варианте вычисляется значе­ ние выбранного диаметра кремниевого диска. Для него, а также для ряда со ­ седних диаметров вычисляются и печатаются значения характеристик прибора (см. ниже).

Во втором варианте для заданного диаметра рассчитываются п выводятся

на печать значения следующих характеристик: I T A Y , ^ г 5лг(/д П ), I D R M , tq.

Пакет ПРОТИ реализован на ЭВМ ЕС-1033. Программирование выполнено на языке ФОРТРАН. Затраты машинного времени для одного варианта расчета составляют около 1 мин, что допускает работу в реальном времени. Использует­ ся стандартное математическое обеспечение ОС ЕС и ДОС ЕС. В первом случае пакет работает в режиме диалога, поэтому проектировщик имеет возможность оперативно изменять значения исходных параметров в зависимости от получае­ мых результатов.

Пакет программ ПРОТИ можно использовать для проектирования низко­ частотных тиристоров общепромышленного назначения, высоковольтных мощных тиристоров для линий электропередачи и вставок постоянного тока, быстровосстанавлнвающихся тиристоров.

Для таких приборов, как тиристоры-диоды, запираемые тиристоры, КВТ,

с помощью ПРОТИ может быть рассчитано значительное количество отдельных характеристик.

Пример расчета.

Рассмотрим расчет высоковольтного тиристора, изготовленно­ го на основе кремния, полученного бестигельной зонной плавкой

166

Результаты расчета параметров структуры и электрических характеристик высоковольтного тиристора

щина р+-слоя 30 мк, л+-слоя 20 мк (параметры технологического процесса). Протяженность фаски 0,4 см, площадь управляющего электрода 0,6 см2, относительная плотность шунтов 5 %. Предель­

ток: 7о=90°С; ГКр=195°С; **=13,5 мс. Значения коэффициентов выбирались /Ci=0,85, /(2=0,6, /С3= 2 , JC4=0,6. Задавались также оговоренный режим испытаний времени выключения и

{dUD/dt)Crn.

Сравнение расчетных данных с характеристиками тиристоров Т-630, изготовленных на шайбе кремния диаметром 50 мм, пока­ зало достаточно хорошую точность расчета.

8.2. ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРОВ С УЧЕТОМРАЗБРОСА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ИГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ(«ТИРИСТОР-СТАТИСТИКА»)

Пакет программ предназначен для расчета статических харак­ теристик силовых тиристоров с учетом разброса исходных пара­ метров кремния и структуры в рамках решения задачи анализа.

ППП удобно использовать в совокупности с П1Ш ПРОТИ, что позволяет сразу проверить возможность реализации проектного решения, полученного с помощью ПРОТИ, с точки зрения су­ ществующих в реальных СПП разбросов параметров. Однако воз­

167

Время жизни носителей заряда

Среднее время жизни дырок в л-базе при низком уровне инжекции, с 4-10-5

170