Курсовая работа: Расчет выпрямительного диффузионного диода

P _ВЫД = I_FAV U_F (2,5 I_FAV ) (1.4.4) при различных диаметрах выпрямительного элемента [1]. Для этого поступают следующим образом. Задаются значением d_В рассчитывают активную площадь структуры, через которую протекает основной прямой ток. В случае планарной структуры активная площадь диода совпадает с площадью р — n-перехода. Для мезаструктуры с фаской ситуация несколько иная (рисунок 1.4.1).

1- омические контакты.

Рисунок 1.4.1 Структура выпрямительного элемента с фаской:

Так как выпрямительные диоды при предельном токе в большинстве случаев работают при высоком уровне инжекции в базах, область объемного заряда в таком режиме работы исчезает, и сопротивление диода определяется объемным сопротивлением кремниевой пластины. Основная часть тока в этом случае будет протекать в сечении, ограниченном верхним омическим контактом. Растекание тока в боковые области будет незначительным, особенно при малых углах фаски.

Поэтому за активную площадь структуры принимается площадь меньшего омического контакта [1]:

. (1.4.5)

Учитывая погрешности в расчете прямой ВАХ диода, более строго определять активную площадь не имеет смысла.

Рассчитав S_АКТ , находят плотность тока через выпрямительный элемент при I = 2,5 I_FAV :

. (1.4.6)

Затем по вольт амперной характеристике (ВАХ) диода единичной площади, определяют значение прямого падения напряжения.

При проектирования выпрямительных диодов ВАХ нужна в относительно узком диапазоне токов, близких к предельному току диода. Это позволяет использовать аналитические выражения, пригодные в ограниченном диапазоне токов и напряжений.

Одна из таких ВАХ в кремнии представлена ниже [1]:

, (1.4.7)

, (1.4.8)

где U_F - падение напряжения в прямом направлении, В; j_F — плотность прямого тока, А/см² ; W_SI — толщина выпрямительного элемента, мкм.

Выражение (1.4.7) записано для р⁺ — n — n⁺ -структуры и предполагает, что выпрямительный элемент содержит сильнолегированный приконтактный слой n⁺ -типа, который при низком уровне инжекции не оказывает влияния на ВАХ, если толщина умереннолегированной n-базы превышает (2 — З)L_p . Однако при высоком уровне инжекции на n — n⁺ -переходе падает часть приложенного напряжения, какой бы ни была ширина базы.

Первое слагаемое в (1.4.7) выражает суммарное падение напряжения на р^+_ n- и n^+_ n-переходах структуры.

Второе слагаемое дает падение напряжения на n-базе в предположении, что имеет место обычная рекомбинация Шокли - Холла - Рида через глубокие центры, т. е. Оже-рекомбинация не существенна. Это допустимо для плотностей тока 300 — 400 А/см² . Чтобы падение напряжения на n-базе оставалось приемлемым, необходимо выбирать достаточно большое значение времени жизни. Критерием такого выбора может служить соотношение [1]

, (1.4.9)

где W_SI дается в микрометрах, а τ_р — в микросекундах.

Третье слагаемое в (1.4.7) представляет вклад электронно-дырочного рассеяния.

После построения ВАХ, по полученному графику либо по (1.4.7) определяют значение прямого падения напряжения при I = 2,5 I_FAV и выделяемую мощность потерь по (1.4.4).

После этого строят зависимость Р_выд от d_В . Затем, исходя из максимально допустимой температуры р — n-перехода и температуры корпуса (таблица 1.4.1), рассчитывают значения максимальной мощности, отводимой от выпрямительного элемента к внешним поверхностям полупроводникового прибора:

. (1.4.10)

Внутренние тепловые сопротивления R_thjc типовых корпусов полупроводниковых диодов определяются экспериментально и приводятся в таблицах [1]. Далее, исходя из критерия Р_ВЫД < P_ОТВ и габаритных ограничений, выбирают тип корпуса, обеспечивающий необходимые условия теплоотвода, и диаметр выпрямительного элемента.

Корпуса силовых выпрямительных диодов в настоящее время унифицированы и выпускаются нескольких типов для разных значений диаметра выпрямительного элемента. Причем внутреннее тепловое сопротивление корпуса R_thjc зависит от d_В [1]. Для определения диаметра выпрямительного элемента в данном случае необходимо построить зависимости Р_ОТВ от d_В для различных типов корпусов. Точка пересечения Р_вьд и Р_отв определяет искомый диаметр выпрямительного элемента, для обеспечения тепловой устойчивости диаметр следует выбирать несколько большим, чем дает точка пересечения. При этом нужно иметь в виду, что значения диаметра тоже стандартизированы, поэтому за d_В следует принимать первое разрешенное значение в сторону увеличения. Если окажется, что с учетом указанных критериев подходят несколько корпусов то можно выбрать вариант с меньшим диаметром выпрямительного элемента.

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

Как было показано выше, для расчета электрофизических характеристик и геометрических размеров слоев выпрямительного элемента достаточно задания таких параметров диода, как U_RRM и I_FAV . Однако кроме них на проектируемый диод могут быть заданы ограничения и по ряду других параметров, не затрагиваемых при его проектировании. Поэтому после расчета основных параметров проектируемого диода следует проверить, удовлетворяются ли другие требования. Если расчетные значения всех параметров удовлетворяют заданным, то расчеты на этом заканчиваются. В противном случае необходимо внести корректировки в расчет диода.