Компьютерное моделирование процессов включения и распространения включенного состояния в тиристорных структурах - Дипломная работа

В тиристорной p-n-p-n-структуре (ТС) при переключении из закрытого состояния в открытое под влиянием тока управления наблюдается эффект локализации включенного состояния в области первоначального включения (ОПВ), формируемой вблизи управляющего электрода (УЭ), через которую начинает протекать ток в открытом состоянии . Площадь ОПВ существенно зависит от величин электрофизических и геометрических параметров ТС и электрического режима включения [2, 3]. Под влиянием диффузионных и дрейфовых процессов в ОПВ в зависимости от текущей величины плотности тока в открытом состоянии включенное состояние распространяется по площади ТС. Линейная скорость распространения включенного состояния (РВС) v в ТС зависит от величин ее электрофизических параметров, параметров встроенных шунтов и плотности тока в открытом состоянии и является переменной величиной во времени и пространстве.Тиристоры переключаются из закрытого в открытое состояние тремя возможными методами: DU/dt - запуском; UBO - запуском и запуском с помощью управляющего электрода. Приложение управляющего сигнала к управляющему электроду тиристора не вызывает немедленного протекания тока через прибор, поскольку должно пройти определенное время (время включения) между приложением управляющего сигнала и наступлением полной проводимости тиристора. 2) время нарастания тнар, в течение которого происходит нарастание анодного тока до 90% амплитудного значения (более точно для тиристоров оно определяется как время, за которое напряжение упадет до 10% своего первоначального значения); 3) время установления (распространения) включенного состояния твкл. уст, за которое прямое падение напряжения уменьшается до своего стационарного значения, т.е. до значения прямого падения, при котором у тиристора полностью включается вся рабочая площадь полупроводниковой структуры. Время включения tgt обычно определяется суммой времени задержки и времени нарастания, а его значение зависит как от максимального значения анодного напряжения, так и от скорости нарастания тока управления и может достигать нескольких микросекунд.Модель СПП, отвечающая современным представлениям, должна учитывать эффекты высокого уровня инжекции (электронно-дырочное рассеяние и Оже-рекомбинацию), влияние концентрации легирующей примеси на электрофизические параметры полупроводниковой структуры (подвижность, время жизни неравновесных носителей заряда, собственную концентрацию свободных носителей заряда) и эффекты, связанные с неодномерным по объему тепловым разогревом структуры под действием протекающих токов.Тремя основными уравнениями, описывающими состояние полупроводниковой структуры, являются уравнение Пуассона и уравнения непрерывности для электронов и дырок. Для изотермического моделирования широко используется дрейфово-диффузионная модель, которая определяется системой уравнений (5-7), где плотности электронного и дырочного токов задаются выражениями: , (8) , (9) здесь и - подвижности электронов и дырок, и - квазипотенциалы Ферми для электронов и дырок, соответственно. Для расчета распределения температуры, вызванного разогревом прибора под действием протекающего тока, к основной феноменологической системе уравнений необходимо добавить уравнение теплопроводности [27, 28]: , (10) где - температура кристаллической решетки полупроводника, - коэффициент удельной теплопроводности, - теплоемкость кристалла, и - абсолютные термоэлектродвижущие силы.Поскольку концентрация неравновесных носителей заряда в активных областях силовых полупроводниковых приборах не превышает значения 1?1019 см-3, для описания работы приборов, как правило, используется статистика Больцмана: , (13)Изменение ширины запрещенной зоны собственного кремния с изменением температуры может быть выражено функцией [22]: , (15) где T - температура решетки, - ширина запрещенной зоны при 0К. Изменение ширины запрещенной зоны с температурой одинаково распределяется между зоной проводимости и валентной зоной. В легированных полупроводниках эффективная ширина запрещенной зоны является функцией концентрации легирующей примеси, она сужается с увеличением концентрации примеси свыше 1?1017?1?1018 см-3. Как следствие, эффект сужения ширины запрещенной зоны оказывает влияние на собственную концентрацию свободных носителей заряда. Изменение ширины запрещенной зоны под воздействием эффектов высокого легирования рассматриваются как сдвиги краев запрещенной зоны .Существуют несколько механизмов рассеяния носителей заряда, влияющих на их подвижность: рассеяние носителей на тепловых колебаниях (фононах) кристаллической решетки, рассеяние на ионизированных атомах примеси, а так же на других носителях заряда (электронно-дырочное рассеяние). Влияние рассеяния на фононах решетки на подвижность свободных носителей заряда описывается зависимостью [20]: , (19) где - температура решетки, - подвижность носителей заряда при рассеивании на фононах при температуре =300К. В легированных полупроводниках происходит рассеяние носителей на заряженных ионах примеси, что приводит к сниж

Содержание

Введение

1. Переходный процесс включения и распространения включенного состояния в силовых тиристорах

2. Физика в программе SDEVICE САПР Synopsys TCAD

2.1 Феноменологическая система дифференциальных уравнений полупроводника

2.2 Квазипотенциалы Ферми

2.3 Модели сужения ширины запрещенной зоны

2.4 Модели подвижности носителей заряда

2.5 Модели рекомбинации носителей заряда

2.6 Модели лавинной генерации носителей заряда

3. Разработка модели элементарной ячейки и командного файла для моделирования переходного процесса включения и распространения включенного состояния в элементарной ячейке фототиристора в САПР Synopsys TCAD

4. Моделирование переходного процесса включения и распространения включенного состояния в элементарной ячейке фототиристора в САПР Synopsys TCAD с различным диаметром шунтов и анализ результатов моделирования

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

В тиристорной p-n-p-n-структуре (ТС) при переключении из закрытого состояния в открытое под влиянием тока управления наблюдается эффект локализации включенного состояния в области первоначального включения (ОПВ), формируемой вблизи управляющего электрода (УЭ), через которую начинает протекать ток в открытом состоянии . Площадь ОПВ существенно зависит от величин электрофизических и геометрических параметров ТС и электрического режима включения [2, 3]. Под влиянием диффузионных и дрейфовых процессов в ОПВ в зависимости от текущей величины плотности тока в открытом состоянии включенное состояние распространяется по площади ТС. Линейная скорость распространения включенного состояния (РВС) v в ТС зависит от величин ее электрофизических параметров, параметров встроенных шунтов и плотности тока в открытом состоянии и является переменной величиной во времени и пространстве. Время РВС по всей площади ТС в зависимости от различных факторов может изменяться в пределах от нескольких сот микросекунд до единиц миллисекунд.

Зависимость скорости РВС от плотности тока обычно описывают степенной или, соответственно, логарифмической эмпирическими зависимостями [1, 4-6]: , (1)

, (2) где , , и - константы. Эти зависимости получены экспериментальным путем на конкретных опытных образцах ТС. Причем из всех этих констант приводятся значения только константы n, да и то в очень широком диапазоне: от 2 до 6 [1, 5]. Понятно, что значения этих констант будут зависеть от величин электрофизических параметров ТС, и, прежде всего, от толщины n-базы и времени жизни носителей заряда, и геометрических параметров - плотности шунтировки и диаметра шунтов.

Использование эмпирических зависимостей (1) и (2) в практике оптимизации величин различных параметров ТС с целью минимизации электрических потерь при включении является неоправданным изза неопределенности величин констант для конкретных типов ТС. В связи с этим при оптимизации электрофизических параметров элементной базы, а также при конструировании новых типов тиристоров, особенно быстродействующих, актуальной становится задача определения зависимостей в различных режимах включения для конкретных типов ТС.

В работе для решения данной задачи использовалось компьютерное моделирование процессов включения и распространения включенного состояния в ТС на основе пакета программ приборно-технологического моделирования Synopsys TCAD.