Автор24

Информация о работе

Подробнее о работе

Страница работы

применение радиации для улучшения электрических параметров силового диода ( полупроводник )

  • 34 страниц
  • 2015 год
  • 278 просмотров
  • 0 покупок
Автор работы

ZaharovAl

380 ₽

Работа будет доступна в твоём личном кабинете после покупки

Гарантия сервиса Автор24

Уникальность не ниже 50%

Фрагменты работ

Силовой выпрямительный диод -это неуправляемый полупроводниковый электро-преобразовательный прибор, имеющий два металлических вывода (анод со стороны p-слоя и катод со стороны n-слоя), содержащий один p–n-переход и обладающий односторонней проводимостью тока.[1] Выпрямительные диоды используют для преобразования переменного тока в ток одной полярности. В зависимости от полярности приложенного к внешним выводам диода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: непроводящем состоянии (p-n- переход смещён в обратном направлении) и проводящем (p-n- переход смещён в прямом направлении).

1.1 Общие свойства и параметры силовых выпрямительных диодов 8
1.1.1 Непроводящее состояние силового диода 8
1.1.2 Вольт-амперная характеристика 10
1.1.3 Статические параметры 11
1.1.4 Динамические характеристики 12
1.1.4.1 Переходные процессы 13
1.1.5 Предельно допустимые значения 17
1.2 Радиационно-технологичекий процесс 18
1.2.1 Взаимодействие электронов с веществом 19
1.2.2 Механизмы образования и физическая природа радиационных центров 21
1.2.3 Изменение основных электрофизических параметров при облучении 23
1.2.3.1 Время жизни неосновных носителей заряда 24
1.2.3.2 Концентрация, удельное сопротивление и подвижность 25
1.3 Термостабильность и кинетика отжига радиационных центров 28
1.4 Влияние облучения на основные параметры диодов 32


1.1.Непроводящее состояние силового диода.
Под воздействием обратного напряжения UR в диоде происходит расширение области пространственного заряда (опз), которое продолжается до тех пор, пока падение напряжения в опз не станет равным UR, особенность силовых диодов в том, что расширение опз происходит в основном в сторону низкоомной n- области, называемой базой диода. Ширина Wопз связана с величиной UR формулой (1)
(1)
где wопз- ширина опз, мкм,
ρ- удельное сопротивление, ом*см,
UR- обратное напряжение, В ,
Откуда следует, что чем более высоковольтным является диод, тем толще он должен быть. Максимально возможное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду ограничивается несколькими факторами. Одним из этих факторов для силовых диодов является лавинный пробой. Суть: при увеличении прикладываемого к диоду напряжения растет не только ОПЗ, но и максимальное электрическое поле внутри этой области.
...

1.2. Вольт-амперная характеристика

В большинстве случаев диод отличается от симметричного p-n перехода тем, что p-n-область диода имеет значительно большее количество примесей, чем n-область, таким образом получается несимметричный p-n-переход, где pp>> n. В этом случае n-область называется базой диода. При подаче на такой переход обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p-область и будет иметь меньшую величину, чем I0 для симметричного перехода. [10] При подаче прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока дырок из p-области в базу и уже при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально, таким образом, вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода можно представить уравнением(4):
(4)

ВАХ диода называют зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения, изображённой в виде кривой.
...

1.3. Статистические параметры.

По вольт-амперной характеристике, представленной на рисунке, можно определить статические параметры диода.

Рисунок 3 ВАХ выпрямительного диода

К статическим параметрам диода относятся:
-Номинальное значение прямого тока Iпр ср ном – проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.
-Номинальное значение прямого падения напряжения Uпр ср ном– среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании среднего прямого тока.
-Напряжение отсечки Uо, определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.
-Пробивное напряжение Uпроб – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на ВАХ, в месте излома в сторону резкого увеличения обратного тока.
-Номинальное значение обратного напряжения Uобр.ном.– рабочее обратное напряжение на диоде.
-Номинальное значение обратного тока Iобр.ном.
...

1.4. Динамические характеристики.

Динамические параметры определяются в переходных режимах работы диода. К динамическим параметрам относятся:
Динамическое (дифференциальное) сопротивление Rдин. Его величину можно определить по формуле(6):
(6)
где ∆Iпр – приращение прямого тока диода;
∆Uпр -приращение падения напряжения на диоде при изменении его прямого тока на ∆Iпр

-Скорость нарастания обратного напряжения dU/dt Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером),[5] то импульс обратного тока диода с учётом собственной ёмкости p-n-перехода Сбар вычисляется по формуле(7):

(7)
где dC/dt– скорость нарастания обратного напряжения.

-Скорость нарастания прямого тока di/dt
-Время восстановления обратного напряжения tвосст
-Предельная частота fмах.
...

1.5.Предельно допустимые значения

Все полупроводниковые приборы характеризуются набором параметров, определяющих допустимые режимы их работы. К таким параметрам относятся:
1)повторяющееся импульсное обратное напряжение Uоб-максимальное обратное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду, оно равно 0,7*Uпробоя. В современных диодах оно эта величина достигает 10 кВ. Uпроб в сотнях вольт определяет класс выпрямительного диода.
2)максимально допустимый прямой ток (предельный ток) Iпред, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном тока частотой 50 Гц, угле проводимости 180 и заданной температуре кристалла. Он определяется формулой(14)

(14)
где Um-амплитудное значение напряжения сети
Rд-активное сопротивление нагрузки
Im-амплитудное значение выпрямленного тока.

Предельный ток Iпред. определяет тип вентиля, он достигает 8кА.
...

2. Радиационно-технологичекий процесс

Радиационное воздействие может служить эффективным технологическим инструментом, позволяющим существенно усовершенствовать и удешевить производство полупроводниковых приборов, улучшить их качество, а также экономить драгоценные металлы, используемые при их производстве. Наиболее часто в радиационной технологии применяется облучения быстрыми электронами.
Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций радиационного облучения и термического отжига, находит все более широкое и в основном безальтернативное практическое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники с целью обеспечения импульсно-частотных характеристик и регулирования статических параметров.
Наличие запрещенной зоны в электронном энергетическом спектре полупроводника обуславливает его высокую чувствительность к присутствию в кристаллической решетке собственных структурных дефектов: точечных, линейных, объемных.
...

2.1.Взаимодействие электронов с веществом

При облучении быстрыми электронами радиационные дефекты вводятся равномерно по объему образца. Эти излучения целесообразно использовать для облучения р-n-структур, имеющих достаточно обширные активные области, куда следует вводить дефекты. [18] К таким структурам от носятся и силовые диоды.
При взаимодействии с веществом энергия электронов расходуется главным образом на неупругое рассеяние на атомах, вызывая их ионизацию. Кроме этого, также происходит упругое рассеяние, связанное с кулоновским взаимодействием электрона с ядром атома, в результате чего происходит смещение атомов в междоузлия.
Эффекты смещений приводят к образованию в кристалле радиационных дефектов. Радиационный дефект возникает в том случае, если энергия бомбардирующей частицы достаточна для смещения атома из узла кристаллической решетки в междоузлие.[15] Эта энергия называется пороговой энергией смещения (Еd).
...

2.2.Механизмы образования и физическая природа радиационных центров в кремнии.

Облучение полупроводников быстрыми частицами приводит к образованию различных радиационных центров различной физической природы.
Энергетический спектр радиационных центров в кремнии при облучении быстрыми электронами на рисунке 6.

Рисунок 6 Энергетический спектр радиационных центров в кремнии при облучении быстрыми электронами

Природа и энергетический спектр радиационных дефектов определяется: энергией, переданной атомами облучаемого вещества, видом бомбардирующих частиц, примесным составом кристаллов и условиями проведения эксперимента.
Радиационные центры бывают: первичные- которые образуются сразу же в момент разрыва связей: вакансия, междоузельные атомы, вторичные: образуются в результате миграции точечных дефектов и их объединения между собой с примесями.
...

2.2.1. А – центры.

Комплекс вакансия-кислород (А-центр, VO) является одним из основных радиационных дефектов. Преобладает в кремни полученном методом Чохральского, так как там высокое содержание кислорода 1018 см-3. А – центр дефект с акцепторным уровнем (электронная ловушка) Ес-0,17 эВ. Этот уровень существует в кремнии уже при комнатной температуре. При захвате вакансии атом кислорода смещается из междоузлия и располагается почти в вакантном узле, не занимая при этом полностью замещающее положение. Он смещен из центра тетраэдрального замещающего положения в <100> направлении и связывается с двумя атомами кремния, образуя Si-Oi-Si. и оборванных связей не имеет.

2.2.2. Е-центр

Е-центр- это комплекс вакансии с легирующей примесью. Преобладает в кремнии, полученном методом зонной плавки. E-центр создает в кремнии акцепторный уровень с энергией ЕС – 0.44 эВ. При этом фосфор, вошедший в E-центр, уже не создает донорного уровня.
...

2.2.3. J-центр или дивакансия

Дивакансия возникает в практически чистом материале (где мало легирующей примеси), состоит из двух вакансий. В кремнии с решеткой типа алмаза дивакансии создают шесть оборванных связей и являются амфотерными центрами. Дивакансии образуются при облучении быстрыми частицами с энергией >10 Мэв. Механизм образования: бомбардирующая частица передаёт атому кремния энергию, достаточную для того, чтобы он мог выбить в междоузлие соседний атом и сам перейти в междоузлие.
Дивакансия в зависимости от зарядового состояния дает три уровня в запрещенной зоне кремния, два акцепторных и один донорный:
верхний, двукратно отрицательно заряженный (ЕС - 0.23) эВ;
средний, однократно отрицательно заряженный (ЕС - 0.39) эВ;
нижний, положительно заряженный (ЕV + 0.21) эВ.
Введение дивакансии в материал n-типа также приведет к удалению из зоны проводимости двух электронов. Если дивакансия вводится в материал n-типа, то уменьшения свободных носителей не происходит.
...

2.3.1.Время жизни неосновных носителей заряда

Одной из самых чувствительных к действию проникающего излучения характеристик
полупроводников является время жизни неосновных носителей заряда, так как глубокие уровни радиационных центров в полупроводниках являются эффективными центрами рекомбинации. При облучении в запрещённой зоне образуется много дополнительных энергетических уровней, но время жизни в облучённом полупроводнике определяется лишь одним-двумя доминирующими рекомбинационными центрами. Обратная величина τ при небольших уровнях инжекции пропорциональна числу рекомбинационных центров (согласно статистике Шокли-Рида-Холла).
...

2.3.2.Удельное электро-сопротивление, концентрация и подвижность

Радиационные дефекты в полупроводниковых материалах способствуют уменьшению концентрации свободных носителей заряда, которая в кремнии, при росте дозы облучения, приближается к собственной, что можно наблюдать на рисунке (8). Концентрация основных носителей заряда изменяется в зависимости от интегрального потока облучения в широком диапазоне доз по экспоненциальному закону. (23)

(23)

где nф - концентрация электронов после облучения;
n0- концентрация электронов до облучения;
an- постоянный коэффициент, связанный с начальными характеристиками материала.

Рисунок 8 Зависимость концентрации основных носителей заряда от потока облучения

Подвижность неосновных носителей заряда в полупроводнике определяется рассеянием на тепловых колебаниях решетки (фононах), ионах примесей, дислокациях и других несовершенствах кристаллов.
...

3. Отжиг радиационных дефектов.

Имплантация ионов сопровождается вредными побочными процессами: возникновение радиационные повреждения кристаллической решетки, вследствие чего структура облучённого участка может стать близкой к аморфной, и также остановкой ионов не в тех местах, где нужно (межузельные ионы).
Для восстановления электрофизических свойств, путём устранения нетермостабильных радиационных дефектов, готовые полупроводниковые материалы и приборы на их основе после облучения ядерными частицами подвергаются стабилизирующему термическому отжигу. Если облучение проводилось при повышенных температурах, так называемое «горячее» облучение, тогда нет необходимости в стабилизирующем термическом отжиге после облучения. [18,20] Суть отжига сводится к тому, что тепловая вибрация способна устранять повреждения кристаллической решётки и активизировать внедрённые ионы. В процессе восстановления повреждённый слой рекристаллизуется, повторяя структуру расположенных ниже неповреждённых слоёв.
...

3.3.Отжиг Е-центра

Комплекс донор-вакансия (Е-центр) отжигается в области температур (80–250)о С в зависимости от зарядового состояния, вида легирующей примеси (P, As, Sb) и тетраэдрического ковалентного радиуса примесного атома. Энергия активации отжига нейтральных Е-центров Еа = (0,93–1,46) эВ линейно зависит от ковалентного радиуса r и определяется по формуле(32):

(32)
Где r-ковалентный радиус

Температура отжига и энергия активации Е-центра зависит от типа донорной примеси в составе центра. Изменение нейтрального зарядового состояния на однократно отрицательное состояние приводит к увеличению энергии активации отжига на 0,3 эВ. В n-Sі, легированном фосфором, в зависимости от зарядового состояния дефекта, значение энергии отжига равно 0,94 эВ, если Е-центр имеет нейтральное зарядовое состоянии, и 1,25 эВ- если отрицательное. Механизм отжига Е-центров в кремнии состоит в диссоциации центра на вакансию и атом донорной примеси.
...

3.4.Отжиг более сложных комплесов

Комплекс бор-вакансия (B-V) нестабилен при комнатной температуре. Уровень ЕV+0,45 эВ отжигается при температуре (360–500)0 К, однако энергия активации его отжига мала: Ea = 0,42 эВ. Учитывая значение предэкспоненциального частотного множителя ν0=(103–104) с–1, можно считать наиболее вероятной при отжиге длиннопробежную миграцию этих РД до захвата на стоки.
В отличие от примесей V группы примеси III и IV групп могут взаимодействовать не только с первичными вакансиями, но и с межузельными атомами кремния, генерируемыми в результате облучения. Взаимодействие межузельных атомов Si с такими примесями сводится к образованию связанной пространственной конфигурации и дальнейшему вытеснению примесей, имеющих размеры меньше тетраэдрического радиуса кремния, из узлов в межузельное положение. В зависимости от вида примеси их внедренные атомы отжигаются в интервале температур (250–450)0 К.
...

4.Влияние облучения на основные параметры диодов.

При изменении электрофизических параметров исходного полупроводникового материала при воздействии, изменяются и электрические характеристики приборов. Основные параметры силовых диодов были перечислены в главе 1. Облучение быстрыми частицами используют для повышения быстродействия полупроводниковых приборов
При облучении кремниевого диода частицами с достаточно высокой энергией всегда происходит деградация его вентильных свойств, т.е. уменьшение прямой и увеличение обратной проводимости. Скорость, с которой происходит деградация, зависит от большого количества факторов, наиболее важными из них являются: ширина базовой области диода, её удельное сопротивление и значение прямого тока. Также на деградацию диода влияют: энергия излучения, температура диода, соотношение концентраций легирующих примесей в различных областях диодной структуры. Поэтому очень важно оптимально выбрать дозу облучения для рекомендации применения.

4.1.
...

4.1.1.Прямая ветвь ВАХ

Типичная ВАХ кремниевого выпрямительного диода до и после облучения электронами представлена на рисунке 8, по ней видно, что с ростом дозы облучения (Ф2>Ф1) для данного прямого тока I прямое напряжение на диоде увеличивается.

Рисунок 8. Вольт-амперная характеристика силовых полупроводниковых диодов до (1)
и после облучения электронами с энергией 50 МэВ дозами 1014 эл/см2 (2), 1015 эл/см2

Радиационные изменения ВАХ зависят не только от параметров исходного полупроводника, но и от геометрических размеров кристалла. Наиболее чувствительной областью к воздействию радиации будет n-база, содержащая меньше примесей, и область p-n-перехода, которая имеет собственную проводимость. [24]Изменения ВАХ выпрямительного диода, представленные на рисунке, могут быть описаны формулой(33):

(33)
где I - прямой ток через диод;
Is – ток насыщения, который равен обратному току;
U – напряжение, приложенное к p-n-переходу;
m – коэффициент (1 Rб – сопротивление толщи базы.
...

4.1.2.Изменение обратной ВАХ

При облучении также изменяется обратная ветвь ВАХ. С ростом дозы облучения ток утечки или все время растет, или стремится к насыщению.
Обратный ток диода состоит из суммы токов, каждый из которых увеличивается при воздействии радиации и описывается выражением(39)

(39)
где Iнас-ток насыщения в базовой области;
Is-ток поверхностных утечек
Iг-генерационный ток в области p-n перехода.
...

Литература:
1. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М. И. Абрамович, В. М. Бабайлов, В. Е. Либер и др.— М.: Энергоатомиздат, 1992.
2. Лебедев А. И. «Физика полупроводниковых приборов» / М.: Физматлит, 2008.
3. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств / под ред. А.А. Ровдо./ М.: Додэка-ХХI, 2001.
4. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский «Преобразовательная техника» Учебное пособие. Издательский центр ЮУрГУ, 2009.
5. О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин справочник «Силовые полупроводниковые приборы». –М.: Энергоатомиздат, 1985.
6. В. И. Старосельский «Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники» учебное пособие, М.: Юрайт высшее образование, 2009.
7. В.Н. Брудный Радиационные эффекты в полупроводниках/ Вестник Томского государственного университета № 285, 2005.
9. Н. Н. Горюнов, Ю. Р. Носов «Полупроводниковые диоды: параметры, методы измерений». –М.: Сов. Радио. –, 1968.
8. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники / В.М. Кулаков, Е.А. Ладыгин, В.И. Шаховцов и др.; Под ред. Е.А. Ладыгин. –М.: Сов. Радио, 1980.
10. Коршунов Ф.П., Гатальский Г.В., Иванов Г.М. «Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах». – М.: Наука и техника, 1978.
11. К И Таперо «Основы радиационной стойкости изделий электронной техники космического применения. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения: курс лекций». –М. МИСиС, 2011.
12. Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения В. С. Вавиловa, А. Р. Челядинскийb // Успехи физических наук. —, том 165, № 3, 1995.
13. Основы радиационной технологии микроэлектроники. Курс лекций. / Под ред. Е.А.
Ладыгина. - М.: Изд МИСиС, 1994.
14. Влияние облучения и отжига на термическую стабильность радиационных дефектов в кремнии / М.Д. Варенцов, Г.П. Гайдар, А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко // Вопросы атомной науки и техники. — № 5, 2010.
15. Б.А. Комаров Особенности отжига радиационных дефектов в кремниевых p-n-структурах: роль примесных атомов железа / Физика и техника полупроводников, том 38, № 9, 2004.
16. Э.Н. Вологдин, А.П. Лысенко «Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых приборов. Учебное пособие». – М.: МГИЭМ, 2001.

Форма заказа новой работы

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Согласен с условиями политики конфиденциальности и  пользовательского соглашения

Фрагменты работ

Силовой выпрямительный диод -это неуправляемый полупроводниковый электро-преобразовательный прибор, имеющий два металлических вывода (анод со стороны p-слоя и катод со стороны n-слоя), содержащий один p–n-переход и обладающий односторонней проводимостью тока.[1] Выпрямительные диоды используют для преобразования переменного тока в ток одной полярности. В зависимости от полярности приложенного к внешним выводам диода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: непроводящем состоянии (p-n- переход смещён в обратном направлении) и проводящем (p-n- переход смещён в прямом направлении).

1.1 Общие свойства и параметры силовых выпрямительных диодов 8
1.1.1 Непроводящее состояние силового диода 8
1.1.2 Вольт-амперная характеристика 10
1.1.3 Статические параметры 11
1.1.4 Динамические характеристики 12
1.1.4.1 Переходные процессы 13
1.1.5 Предельно допустимые значения 17
1.2 Радиационно-технологичекий процесс 18
1.2.1 Взаимодействие электронов с веществом 19
1.2.2 Механизмы образования и физическая природа радиационных центров 21
1.2.3 Изменение основных электрофизических параметров при облучении 23
1.2.3.1 Время жизни неосновных носителей заряда 24
1.2.3.2 Концентрация, удельное сопротивление и подвижность 25
1.3 Термостабильность и кинетика отжига радиационных центров 28
1.4 Влияние облучения на основные параметры диодов 32


1.1.Непроводящее состояние силового диода.
Под воздействием обратного напряжения UR в диоде происходит расширение области пространственного заряда (опз), которое продолжается до тех пор, пока падение напряжения в опз не станет равным UR, особенность силовых диодов в том, что расширение опз происходит в основном в сторону низкоомной n- области, называемой базой диода. Ширина Wопз связана с величиной UR формулой (1)
(1)
где wопз- ширина опз, мкм,
ρ- удельное сопротивление, ом*см,
UR- обратное напряжение, В ,
Откуда следует, что чем более высоковольтным является диод, тем толще он должен быть. Максимально возможное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду ограничивается несколькими факторами. Одним из этих факторов для силовых диодов является лавинный пробой. Суть: при увеличении прикладываемого к диоду напряжения растет не только ОПЗ, но и максимальное электрическое поле внутри этой области.
...

1.2. Вольт-амперная характеристика

В большинстве случаев диод отличается от симметричного p-n перехода тем, что p-n-область диода имеет значительно большее количество примесей, чем n-область, таким образом получается несимметричный p-n-переход, где pp>> n. В этом случае n-область называется базой диода. При подаче на такой переход обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p-область и будет иметь меньшую величину, чем I0 для симметричного перехода. [10] При подаче прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока дырок из p-области в базу и уже при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально, таким образом, вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода можно представить уравнением(4):
(4)

ВАХ диода называют зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения, изображённой в виде кривой.
...

1.3. Статистические параметры.

По вольт-амперной характеристике, представленной на рисунке, можно определить статические параметры диода.

Рисунок 3 ВАХ выпрямительного диода

К статическим параметрам диода относятся:
-Номинальное значение прямого тока Iпр ср ном – проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.
-Номинальное значение прямого падения напряжения Uпр ср ном– среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании среднего прямого тока.
-Напряжение отсечки Uо, определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.
-Пробивное напряжение Uпроб – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на ВАХ, в месте излома в сторону резкого увеличения обратного тока.
-Номинальное значение обратного напряжения Uобр.ном.– рабочее обратное напряжение на диоде.
-Номинальное значение обратного тока Iобр.ном.
...

1.4. Динамические характеристики.

Динамические параметры определяются в переходных режимах работы диода. К динамическим параметрам относятся:
Динамическое (дифференциальное) сопротивление Rдин. Его величину можно определить по формуле(6):
(6)
где ∆Iпр – приращение прямого тока диода;
∆Uпр -приращение падения напряжения на диоде при изменении его прямого тока на ∆Iпр

-Скорость нарастания обратного напряжения dU/dt Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером),[5] то импульс обратного тока диода с учётом собственной ёмкости p-n-перехода Сбар вычисляется по формуле(7):

(7)
где dC/dt– скорость нарастания обратного напряжения.

-Скорость нарастания прямого тока di/dt
-Время восстановления обратного напряжения tвосст
-Предельная частота fмах.
...

1.5.Предельно допустимые значения

Все полупроводниковые приборы характеризуются набором параметров, определяющих допустимые режимы их работы. К таким параметрам относятся:
1)повторяющееся импульсное обратное напряжение Uоб-максимальное обратное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду, оно равно 0,7*Uпробоя. В современных диодах оно эта величина достигает 10 кВ. Uпроб в сотнях вольт определяет класс выпрямительного диода.
2)максимально допустимый прямой ток (предельный ток) Iпред, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном тока частотой 50 Гц, угле проводимости 180 и заданной температуре кристалла. Он определяется формулой(14)

(14)
где Um-амплитудное значение напряжения сети
Rд-активное сопротивление нагрузки
Im-амплитудное значение выпрямленного тока.

Предельный ток Iпред. определяет тип вентиля, он достигает 8кА.
...

2. Радиационно-технологичекий процесс

Радиационное воздействие может служить эффективным технологическим инструментом, позволяющим существенно усовершенствовать и удешевить производство полупроводниковых приборов, улучшить их качество, а также экономить драгоценные металлы, используемые при их производстве. Наиболее часто в радиационной технологии применяется облучения быстрыми электронами.
Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций радиационного облучения и термического отжига, находит все более широкое и в основном безальтернативное практическое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники с целью обеспечения импульсно-частотных характеристик и регулирования статических параметров.
Наличие запрещенной зоны в электронном энергетическом спектре полупроводника обуславливает его высокую чувствительность к присутствию в кристаллической решетке собственных структурных дефектов: точечных, линейных, объемных.
...

2.1.Взаимодействие электронов с веществом

При облучении быстрыми электронами радиационные дефекты вводятся равномерно по объему образца. Эти излучения целесообразно использовать для облучения р-n-структур, имеющих достаточно обширные активные области, куда следует вводить дефекты. [18] К таким структурам от носятся и силовые диоды.
При взаимодействии с веществом энергия электронов расходуется главным образом на неупругое рассеяние на атомах, вызывая их ионизацию. Кроме этого, также происходит упругое рассеяние, связанное с кулоновским взаимодействием электрона с ядром атома, в результате чего происходит смещение атомов в междоузлия.
Эффекты смещений приводят к образованию в кристалле радиационных дефектов. Радиационный дефект возникает в том случае, если энергия бомбардирующей частицы достаточна для смещения атома из узла кристаллической решетки в междоузлие.[15] Эта энергия называется пороговой энергией смещения (Еd).
...

2.2.Механизмы образования и физическая природа радиационных центров в кремнии.

Облучение полупроводников быстрыми частицами приводит к образованию различных радиационных центров различной физической природы.
Энергетический спектр радиационных центров в кремнии при облучении быстрыми электронами на рисунке 6.

Рисунок 6 Энергетический спектр радиационных центров в кремнии при облучении быстрыми электронами

Природа и энергетический спектр радиационных дефектов определяется: энергией, переданной атомами облучаемого вещества, видом бомбардирующих частиц, примесным составом кристаллов и условиями проведения эксперимента.
Радиационные центры бывают: первичные- которые образуются сразу же в момент разрыва связей: вакансия, междоузельные атомы, вторичные: образуются в результате миграции точечных дефектов и их объединения между собой с примесями.
...

2.2.1. А – центры.

Комплекс вакансия-кислород (А-центр, VO) является одним из основных радиационных дефектов. Преобладает в кремни полученном методом Чохральского, так как там высокое содержание кислорода 1018 см-3. А – центр дефект с акцепторным уровнем (электронная ловушка) Ес-0,17 эВ. Этот уровень существует в кремнии уже при комнатной температуре. При захвате вакансии атом кислорода смещается из междоузлия и располагается почти в вакантном узле, не занимая при этом полностью замещающее положение. Он смещен из центра тетраэдрального замещающего положения в <100> направлении и связывается с двумя атомами кремния, образуя Si-Oi-Si. и оборванных связей не имеет.

2.2.2. Е-центр

Е-центр- это комплекс вакансии с легирующей примесью. Преобладает в кремнии, полученном методом зонной плавки. E-центр создает в кремнии акцепторный уровень с энергией ЕС – 0.44 эВ. При этом фосфор, вошедший в E-центр, уже не создает донорного уровня.
...

2.2.3. J-центр или дивакансия

Дивакансия возникает в практически чистом материале (где мало легирующей примеси), состоит из двух вакансий. В кремнии с решеткой типа алмаза дивакансии создают шесть оборванных связей и являются амфотерными центрами. Дивакансии образуются при облучении быстрыми частицами с энергией >10 Мэв. Механизм образования: бомбардирующая частица передаёт атому кремния энергию, достаточную для того, чтобы он мог выбить в междоузлие соседний атом и сам перейти в междоузлие.
Дивакансия в зависимости от зарядового состояния дает три уровня в запрещенной зоне кремния, два акцепторных и один донорный:
верхний, двукратно отрицательно заряженный (ЕС - 0.23) эВ;
средний, однократно отрицательно заряженный (ЕС - 0.39) эВ;
нижний, положительно заряженный (ЕV + 0.21) эВ.
Введение дивакансии в материал n-типа также приведет к удалению из зоны проводимости двух электронов. Если дивакансия вводится в материал n-типа, то уменьшения свободных носителей не происходит.
...

2.3.1.Время жизни неосновных носителей заряда

Одной из самых чувствительных к действию проникающего излучения характеристик
полупроводников является время жизни неосновных носителей заряда, так как глубокие уровни радиационных центров в полупроводниках являются эффективными центрами рекомбинации. При облучении в запрещённой зоне образуется много дополнительных энергетических уровней, но время жизни в облучённом полупроводнике определяется лишь одним-двумя доминирующими рекомбинационными центрами. Обратная величина τ при небольших уровнях инжекции пропорциональна числу рекомбинационных центров (согласно статистике Шокли-Рида-Холла).
...

2.3.2.Удельное электро-сопротивление, концентрация и подвижность

Радиационные дефекты в полупроводниковых материалах способствуют уменьшению концентрации свободных носителей заряда, которая в кремнии, при росте дозы облучения, приближается к собственной, что можно наблюдать на рисунке (8). Концентрация основных носителей заряда изменяется в зависимости от интегрального потока облучения в широком диапазоне доз по экспоненциальному закону. (23)

(23)

где nф - концентрация электронов после облучения;
n0- концентрация электронов до облучения;
an- постоянный коэффициент, связанный с начальными характеристиками материала.

Рисунок 8 Зависимость концентрации основных носителей заряда от потока облучения

Подвижность неосновных носителей заряда в полупроводнике определяется рассеянием на тепловых колебаниях решетки (фононах), ионах примесей, дислокациях и других несовершенствах кристаллов.
...

3. Отжиг радиационных дефектов.

Имплантация ионов сопровождается вредными побочными процессами: возникновение радиационные повреждения кристаллической решетки, вследствие чего структура облучённого участка может стать близкой к аморфной, и также остановкой ионов не в тех местах, где нужно (межузельные ионы).
Для восстановления электрофизических свойств, путём устранения нетермостабильных радиационных дефектов, готовые полупроводниковые материалы и приборы на их основе после облучения ядерными частицами подвергаются стабилизирующему термическому отжигу. Если облучение проводилось при повышенных температурах, так называемое «горячее» облучение, тогда нет необходимости в стабилизирующем термическом отжиге после облучения. [18,20] Суть отжига сводится к тому, что тепловая вибрация способна устранять повреждения кристаллической решётки и активизировать внедрённые ионы. В процессе восстановления повреждённый слой рекристаллизуется, повторяя структуру расположенных ниже неповреждённых слоёв.
...

3.3.Отжиг Е-центра

Комплекс донор-вакансия (Е-центр) отжигается в области температур (80–250)о С в зависимости от зарядового состояния, вида легирующей примеси (P, As, Sb) и тетраэдрического ковалентного радиуса примесного атома. Энергия активации отжига нейтральных Е-центров Еа = (0,93–1,46) эВ линейно зависит от ковалентного радиуса r и определяется по формуле(32):

(32)
Где r-ковалентный радиус

Температура отжига и энергия активации Е-центра зависит от типа донорной примеси в составе центра. Изменение нейтрального зарядового состояния на однократно отрицательное состояние приводит к увеличению энергии активации отжига на 0,3 эВ. В n-Sі, легированном фосфором, в зависимости от зарядового состояния дефекта, значение энергии отжига равно 0,94 эВ, если Е-центр имеет нейтральное зарядовое состоянии, и 1,25 эВ- если отрицательное. Механизм отжига Е-центров в кремнии состоит в диссоциации центра на вакансию и атом донорной примеси.
...

3.4.Отжиг более сложных комплесов

Комплекс бор-вакансия (B-V) нестабилен при комнатной температуре. Уровень ЕV+0,45 эВ отжигается при температуре (360–500)0 К, однако энергия активации его отжига мала: Ea = 0,42 эВ. Учитывая значение предэкспоненциального частотного множителя ν0=(103–104) с–1, можно считать наиболее вероятной при отжиге длиннопробежную миграцию этих РД до захвата на стоки.
В отличие от примесей V группы примеси III и IV групп могут взаимодействовать не только с первичными вакансиями, но и с межузельными атомами кремния, генерируемыми в результате облучения. Взаимодействие межузельных атомов Si с такими примесями сводится к образованию связанной пространственной конфигурации и дальнейшему вытеснению примесей, имеющих размеры меньше тетраэдрического радиуса кремния, из узлов в межузельное положение. В зависимости от вида примеси их внедренные атомы отжигаются в интервале температур (250–450)0 К.
...

4.Влияние облучения на основные параметры диодов.

При изменении электрофизических параметров исходного полупроводникового материала при воздействии, изменяются и электрические характеристики приборов. Основные параметры силовых диодов были перечислены в главе 1. Облучение быстрыми частицами используют для повышения быстродействия полупроводниковых приборов
При облучении кремниевого диода частицами с достаточно высокой энергией всегда происходит деградация его вентильных свойств, т.е. уменьшение прямой и увеличение обратной проводимости. Скорость, с которой происходит деградация, зависит от большого количества факторов, наиболее важными из них являются: ширина базовой области диода, её удельное сопротивление и значение прямого тока. Также на деградацию диода влияют: энергия излучения, температура диода, соотношение концентраций легирующих примесей в различных областях диодной структуры. Поэтому очень важно оптимально выбрать дозу облучения для рекомендации применения.

4.1.
...

4.1.1.Прямая ветвь ВАХ

Типичная ВАХ кремниевого выпрямительного диода до и после облучения электронами представлена на рисунке 8, по ней видно, что с ростом дозы облучения (Ф2>Ф1) для данного прямого тока I прямое напряжение на диоде увеличивается.

Рисунок 8. Вольт-амперная характеристика силовых полупроводниковых диодов до (1)
и после облучения электронами с энергией 50 МэВ дозами 1014 эл/см2 (2), 1015 эл/см2

Радиационные изменения ВАХ зависят не только от параметров исходного полупроводника, но и от геометрических размеров кристалла. Наиболее чувствительной областью к воздействию радиации будет n-база, содержащая меньше примесей, и область p-n-перехода, которая имеет собственную проводимость. [24]Изменения ВАХ выпрямительного диода, представленные на рисунке, могут быть описаны формулой(33):

(33)
где I - прямой ток через диод;
Is – ток насыщения, который равен обратному току;
U – напряжение, приложенное к p-n-переходу;
m – коэффициент (1 Rб – сопротивление толщи базы.
...

4.1.2.Изменение обратной ВАХ

При облучении также изменяется обратная ветвь ВАХ. С ростом дозы облучения ток утечки или все время растет, или стремится к насыщению.
Обратный ток диода состоит из суммы токов, каждый из которых увеличивается при воздействии радиации и описывается выражением(39)

(39)
где Iнас-ток насыщения в базовой области;
Is-ток поверхностных утечек
Iг-генерационный ток в области p-n перехода.
...

Литература:
1. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М. И. Абрамович, В. М. Бабайлов, В. Е. Либер и др.— М.: Энергоатомиздат, 1992.
2. Лебедев А. И. «Физика полупроводниковых приборов» / М.: Физматлит, 2008.
3. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств / под ред. А.А. Ровдо./ М.: Додэка-ХХI, 2001.
4. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский «Преобразовательная техника» Учебное пособие. Издательский центр ЮУрГУ, 2009.
5. О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин справочник «Силовые полупроводниковые приборы». –М.: Энергоатомиздат, 1985.
6. В. И. Старосельский «Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники» учебное пособие, М.: Юрайт высшее образование, 2009.
7. В.Н. Брудный Радиационные эффекты в полупроводниках/ Вестник Томского государственного университета № 285, 2005.
9. Н. Н. Горюнов, Ю. Р. Носов «Полупроводниковые диоды: параметры, методы измерений». –М.: Сов. Радио. –, 1968.
8. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники / В.М. Кулаков, Е.А. Ладыгин, В.И. Шаховцов и др.; Под ред. Е.А. Ладыгин. –М.: Сов. Радио, 1980.
10. Коршунов Ф.П., Гатальский Г.В., Иванов Г.М. «Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах». – М.: Наука и техника, 1978.
11. К И Таперо «Основы радиационной стойкости изделий электронной техники космического применения. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения: курс лекций». –М. МИСиС, 2011.
12. Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения В. С. Вавиловa, А. Р. Челядинскийb // Успехи физических наук. —, том 165, № 3, 1995.
13. Основы радиационной технологии микроэлектроники. Курс лекций. / Под ред. Е.А.
Ладыгина. - М.: Изд МИСиС, 1994.
14. Влияние облучения и отжига на термическую стабильность радиационных дефектов в кремнии / М.Д. Варенцов, Г.П. Гайдар, А.П. Долголенко, П.Г. Литовченко // Вопросы атомной науки и техники. — № 5, 2010.
15. Б.А. Комаров Особенности отжига радиационных дефектов в кремниевых p-n-структурах: роль примесных атомов железа / Физика и техника полупроводников, том 38, № 9, 2004.
16. Э.Н. Вологдин, А.П. Лысенко «Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых приборов. Учебное пособие». – М.: МГИЭМ, 2001.

Купить эту работу

применение радиации для улучшения электрических параметров силового диода ( полупроводник )

380 ₽

или заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 500 ₽

Гарантии Автор24

Изображения работ

Страница работы
Страница работы
Страница работы

Понравилась эта работа?

или

5 мая 2016 заказчик разместил работу

Выбранный эксперт:

Автор работы
ZaharovAl
4.5
Купить эту работу vs Заказать новую
0 раз Куплено Выполняется индивидуально
Не менее 40%
Исполнитель, загружая работу в «Банк готовых работ» подтверждает, что уровень оригинальности работы составляет не менее 40%
Уникальность Выполняется индивидуально
Сразу в личном кабинете Доступность Срок 1—6 дней
380 ₽ Цена от 500 ₽

5 Похожих работ

Курсовая работа

Ваттметр постоянного тока

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
350 ₽
Курсовая работа

Электронная коммерция

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
450 ₽
Курсовая работа

Расчет частотных и переходных характеристик линейных цепей

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
350 ₽
Курсовая работа

Электромагнитные и электромеханические переходные процессы в электрических системах

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
490 ₽
Курсовая работа

курсовая работа по системам электроснабжения

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
490 ₽

Отзывы студентов

Отзыв Дмитрий об авторе ZaharovAl 2015-03-13
Курсовая работа

Спасибо за работу! Выручили! Надеюсь на дальнейшее сотрудничество!

Общая оценка 5
Отзыв Георгий Букин об авторе ZaharovAl 2015-12-04
Курсовая работа

Все отлично, спасибо автору!

Общая оценка 5
Отзыв krasrabota об авторе ZaharovAl 2019-08-13
Курсовая работа

сложнейшая работа выполнена на отлично

Общая оценка 5
Отзыв Иван Петлюк об авторе ZaharovAl 2015-05-22
Курсовая работа

Оперативно и качественно. Доволен

Общая оценка 5

другие учебные работы по предмету

Готовая работа

эссе Интеллектуальные системы в управлении электроэнергетическими системами

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
200 ₽
Готовая работа

Микрофоны в журналистике

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
100 ₽
Готовая работа

Номинальные параметры силового трансформатора

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
300 ₽
Готовая работа

Устройства записи и хранения аудио- и видеоинформации

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
100 ₽
Готовая работа

Паротурбинные установки

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
130 ₽
Готовая работа

Диктофоны

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
190 ₽
Готовая работа

Светодиоды. Стабилитроны

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
200 ₽
Готовая работа

Ответы к онлайн тестам по "Электротехнике" на сайте дистанционного образования МЭИ в системе "Прометей"

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
300 ₽
Готовая работа

Тесты по электротехнике на сайте СДО ТПУ

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
30 ₽
Готовая работа

Методы формирования и преобразования в каналах связи

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
200 ₽
Готовая работа

Наноэлектроника

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
400 ₽
Готовая работа

Методы цифрового представления и передачи непрерывных сообщений

Уникальность: от 40%
Доступность: сразу
120 ₽