Курсовая работа: Расчет и проектирование диода на основе кремния

Сопротивление диодапредставляет собой простое дифференциальное сопротивление диода, то есть сопротивление диода малому переменному току при постоянном смещении.

Диффузионную емкость обычно связывают с изменением заряда инжектированных носителей при изменении напряжения на диоде. Действительно, инжектированные носители в течение некоторого времени существуют в областях диода, примыкающих к p-n – переходу. При изменении напряжения часть накопленных неосновных носителей может возвратиться в p-n – переход и пройти через него в соседнюю область. Образующийся при этом ток аналогичен емкостному току.

Однако к этому требуются некоторые пояснения и дополнения. Дело в том, что при инжекции области, примыкающие к p-n – переходу, остаются нейтральными, то есть никакой суммарный заряд в них не появляется. Нейтрализация заряда происходит из-за подхода основных носителей в те области, куда произошла инжекция неосновных носителей. Нейтрализация устанавливается за очень малый промежуток времени – порядка времени максвеловской или диэлектрической релаксации (обычно 10^-11 …10^-12 с). Так как концентрация основных носителей относительно велика и необходимое их количество пополняется невыпрямляющим контактом, нейтрализация получается практически полная. Следует заметить, что нейтрализуется не только заряд в среднем по всей области, но и заряд в каждой точке, т.е. выполняется условие локальной электрической нейтральности.

Несмотря на то, что при инжекции примыкающие к p-n – переходу области не заряжаются, диффузионную емкость можно связать с зарядом инжектированных носителей, так как инжектированные неосновные носители и нейтрализующие их основные носители не исчезают. Для сравнения вспомнить, что и обычный конденсатор в целом электрически нейтрален. Но в обычном конденсаторе положительные и отрицательные заряда пространственно разделены (то же самое можно сказать и о p-n – переходе при рассмотрении его барьерной емкости), в то время как при инжекции через p-n – переход и положительный, и отрицательный заряда оказываются в одной и ой же области и пространственно не разделяются, в результате чего не возможно обнаружить область, где проходят токи смещения.

Следовательно, диффузионную емкость можно связать с изменением заряда инжектированных неосновных носителей, но нельзя связать с происхождением тока смещения. В этом существенное физическое отличие диффузионной емкости от барьерной емкости p-n – перехода и от емкости обычного конденсата.

Диффузионную емкость можно представить следующим образом:

(1.5)

Постоянная времени. Если продолжить аналогию полупроводникового диода с конденсатором, то можно выяснит физический смысл постоянной времени C_диф . Для конденсатора постоянная времени показывает, за какое время его заряд уменьшается в e раз, т.е. постоянная времени характеризует время исчезновения заряда конденсатора.

Постоянная времени диода с толстой базой при низкой частоте тоже характеризует время исчезновения заряда. Действительно, - время жизни неосновных носителей – как раз и показывает, в течение какого времени концентрация неосновных носителей измениться в е раз из-за рекомбинации.

Для диода с тонкой базой при низкой частоте постоянная времени равна (1.6)

2. РАСЧЕТ и исследование мощных низкочастотных диодов на основе кремния

2.1 Расчет параметров диода

Проведем расчет и исследования статических и динамических характеристик 4H-SiCp⁺ -п₀ - n ⁺ диодов, рассчитанных на обратное напряжение 6, 10 и 20 кВ и обозначаемых далее как 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диоды. Концентрация примесей в сильно легированных эмиттерных областях составляет ~ 10¹⁹ см⁻³ , уровень легирования и толщина базы n-типа определяются максимальным блокируемым напряжением (см. табл. 1).

Таблица 1 - Параметры структуры 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ 4H-SiC р⁺ - n₀ -п⁺ диодов

Концентрация доноров в базе, см−3	Толщина базы, мкм
6-кВ	1·1015	50
10-кВ	3·1014	150
20-кВ	3·1014	200

2.2 Расчет вольтамперных характеристик при малых плотностях тока

В 4H-SiC диодах при малых плотностях тока основную роль играют генерация и рекомбинация носителей в области пространственного заряда (ОПЗ) р- n -перехода и их диффузионный перенос через базу. В диодах практически отсутствуют "избыточные" токи, связанные с различного рода неоднородностями структуры и обусловленные, например, механизмами полевого и термополевого туннелирования. На рис. 2.1 в качестве примера показаны прямые вольтамперные характеристики (ВАХ) 6-кВ диода, измеренные при температурах 297 и 537 K в диапазоне плотностей прямого тока j_пр = 10⁻⁷ −1 А/см² . В указанном интервале плотностей тока ВАХ хорошо аппроксимируются суммой рекомбинационного ( j_рек ) и диффузионного ( j_диф ) токов с учетом омического падения напряжения на базе диода j_пр r_б , где r_б - сопротивление базы):

j_пр = j_рек + j_диф = j_обр exp( qV_pn /2 kT) + j_кб exp( qV_pn / kT) (2.1)

V = V_pn + j_пр r_б .

Обратный ток в исследованных 4H-SiC диодах при комнатной температуре настолько мал, что находится за пределами чувствительности измерительной аппаратуры.

Рисунок 2.1 - Прямые ВАХ 6-кВ диода при низких плотностях тока. Т= 297K: j_обр = 2.3 ∙ 10⁻²⁴ А/см² , j_кб = 1.5 ∙ 10⁻⁴⁵ А/см² , r_б = 7.4∙10⁻² Ом∙см² , T = 537K: j_обр = 1 · 10^-11 А/см² , j_эб = 3∙10⁻²¹ А/см² , r_б = 1.7 · 10^-1 Ом ∙ см² .

Заметный обратный ток появляется лишь при температурах свыше 600 K. На рис. 2.2 показана обратная

ВАХ 6-кВ диода, измеренная при температуре 685 K. Как видно из этого рисунка, j_к ∞( V_бэ + V )^1/2 (V_бэ — контактная разность потенциалов р— n -перехода). Таким образом, обратный ток обусловлен термической генерацией носителей в ОПЗ р— n -перехода.

Рисунок 2.2 - Обратная ВАХ 6-кВ диода при Т = 685 K.

2.3 Модуляция базы при высоких уровнях инжекции

На рис. 2.3 показаны импульсные квазистатические ВАХ 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диодов, измеренные при средних и высоких плотностях прямого тока. Как нетрудно убедиться, в 6-кВ и 10-кВ диодах реализуется достаточно глубокая модуляция базы инжектированными носителями. Так, например, при плотности прямого тока 180 А/см² дифференциальное сопротивление 10-кВ диода r_б = dV/ dj_пр = 1.6 ∙ 10−² Ом ∙ см² , в то время как омическое сопротивление нeмодулированной базы r_б = W/ qμ_п n_о = 0.39 Ом ∙ см² (μ_п = 800см² /Вс, n₀ = 3 ∙ 10¹⁴ см⁻³ ), т.е. в 24 раза больше измеренного дифференциального сопротивления.

Рис. 2.3 - Импульсные квазистатические прямые ВАХ 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диодов. Т = 293 K.

Для 6-кВ диода омическое сопротивление немодулированной базы r_б = 6.5 ∙ 10−² Ом ∙ см² в 16 раз больше, чем r_б = 4. 1 ∙ 10−³ Ом ∙ cм² . Такая ситуация свидетельствует о достаточно больших величинах коэффициента инжекции эмиттера и времени жизни ННЗ в базе диодов.

С целью определения времени жизни ННЗ изучались переходные процессы в диодах: установление прямого падения напряжения при пропускании ступеньки прямого тока, спад послеинжекционной эдс после обрыва тока, восстановление блокирующей способности диодов после их переключения из проводящего состояния в блокирующее [16].

2.4 Время жизни ННЗ: включение диодов и спад послеинжекционной эдс

На рис. 2.4 показана осциллограмма напряжения на 6-кВ диоде при пропускании прямого тока, быстро нарастающего от нуля до 5 A. Реакция диода на ступенькутока имеет „индуктивный" характер, что свидетельствует о накоплении в базе высокой концентрации ННЗ. На зависимости V( t) вначале наблюдается всплеск напряжения, амплитуда которого определяется сопротивлением немодулированной базы, а затем, по мере накопления ННЗ в базе напряжение падает до стационарного значения, определяемого сопротивлением модулированной базы. Время установления стационарного состояния (по порядку величины оно сравнимо с временем жизни ННЗ [12]) составляет около 0,6 мкс.