Разработка математической модели и численное моделирование высоковольтных импульсных ограничителей напряжения

• Автор: Гарцев, Николай Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Саранск
• Количество страниц: 123 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА МОДЕЛИРОВАНИЕ

1.1. Методы защиты силовых полупроводниковых приборов

от перенапряжений

1.2. Конструкция и физические основы работы высоковольтного ограничителя напряжения

1.2.1. Конструкция высоковольтного ограничителя напряжения

1.2.2. Основные сведения о лавинном пробое рппереходов

4Г 1.2.3. Свойства кремния, используемого при производстве ОНС

1.3. Методы и проблемы численного моделирования

полупроводниковых приборов

1.4. Выводы и постановка задачи ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
2.1. Основные уравнения для моделирования силовых полупроводниковых приборов
2.2. Моделируемая структура ОНС. Краевые условия
2.2.1. Геометрия моделируемой структуры ОНС
2.2.2. Омические контакты
2.2.3. Тепловые свойства моделируемой структуры ОНС
2.3. Диффузионные профили распределения концентрации легирующей примеси в моделируемой структуре ОНС
2.4. Аппроксимация моделируемой структуры ОНС сеткой
2.5. Модели физических эффектов, определяющих поведение электрических характеристик ОНС
2.5.1. Ширина запрещенной зоны и собственная концентрация
свободных носителей заряда
2.5.2. Лавинная генерация носителей заряда
2.5.3. Подвижность носителей заряда
2.5.4. Рекомбинация носителей заряда
2.6. Учет параметров внешней электрической схемы при моделировании высоковольтного импульсного ограничителя напряжения
2.7. Начальные условия при моделировании
2.8. Выводы
ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
3.1. Исходные параметры моделируемой структуры ОНС
3.2. Расчет параметров лавинообразования ОНС
3.3. Моделирование вольтамперной характеристики ОНС
3.4. Моделирование динамической характеристики ОНС
3.5. Исследование влияния инжекции носителей заряда прямосмещенным рппереходом на электрические параметры ОНС
3.6. Моделирование нестационарных тепловых процессов в ОНС
3.7. Исследование распределения напряженности электрического поля на поверхности рппереходов ОНС
3.8. Разработка конструкции высоковольтного импульсного ограничителя напряжения с низким значением динамического
сопротивления и увеличенным значением максимальной рассеиваемой энергии лавинообразования
3.9. Результаты моделирования и экспериментальных исследований разработанных конструкций высоковольтного импульсного ограничителя напряжения
3 Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Это объясняется тем, что в рассматриваемых моделях диодов ряд физических эффектов, в особенности нелинейных и нсодномерных, которые в реальных режимах работы ОНС составляют существо процесса например, тепловые процессы, рассматриваются изолированно от других электрических процессов, либо совсем не учитываются. СПП, и носят лишь оценочный характер. Отсюда можно сформулировать цель работы. Целью работы является разработка квазитрехмерной неизотермической математической модели в радиальносимметричном приближении, описывающей реальную трехмерную структуру высоковольтного импульсного ограничителя напряжения, основанной на численном решении полной феноменологической системы уравнений полупроводников и учитывающей распределение концентрации легирующей примеси по полупроводниковой структуре ограничителя напряжения, эффекты высокого уровня инжекции, влияние профиля фаски полупроводниковой структуры на распределение лавинного тока и температуры в приборе, а также условия работы ОНС в составе внешней электрической схемы. Разработка конструкции высоковольтного импульсного ограничителя напряжения с уменьшенным значением динамического сопротивления и увеличенным значением максимальной рассеиваемой энергии лавинообразования, а также проведение оптимизации его геометрических и электрофизических параметров. Разработать квазитрехмерную неизотермическую математическую модель в радиальносимметричном приближении, описывающую реальную трехмерную структуру высоковольтного импульсного ограничителя напряжения, позволяющую с высокой достоверность рассчитывать электрические параметры ОНС в зависимости от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры. ОНС 3, выпускаемого ОЛО Электровыпрямитель г. Саранск, на его электрические параметры напряжение лавинообразования, динамическое сопротивление, максимальную рассеиваемую энергию лавинообразования, время срабатывания. Используя результаты моделирования влияния геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры ограничителя напряжения серии ОНС 3 на его электрические параметры, разработать конструкцию высоковольтного импульсного ограничителя напряжения с уменьшенным значением динамического сопротивления и увеличенным значением максимальной рассеиваемой энергии лавинообразования. Методы исследования. Уравнения математической модели решаются численными методами с помощью программы ОЕ ЕТСАО 7. ОНС, полученных в результате моделирования, со снятыми экспериментально. Научная новизна. ОНС, эффекты высокого уровня инжекции, влияние концентрации легирующей примеси на время жизни и подвижность носителей заряда, условия работы ОНС в составе электрической схемы. Показано, что прямосмещенный рппереход в ОНС 3 в рабочем диапазоне лавинных токов существенно уменьшает его динамическое сопротивление. Показано, что плотность лавинного тока по структуре ОНС 3 в режиме лавинообразования распределена неравномерно и максимальна в области прямой фаски. Показано, что высоковольтный импульсный ограничитель напряжения, состоящий из п последовательно соединенных симметричных низковольтных ограничителей напряжения, в рабочем диапазоне лавинных токов имеет в п раз меньшее динамическое сопротивление, чем одиночный высоковольтный импульсный ограничитель напряжения с тем же напряжением лавинообразования. Научная новизна технических решений, полученных в работе, защищена патентом 1. Практическая ценность и реализация результатов. С помощью разработанной математической модели высоковольтного импульсного ограничителя напряжения исследованы зависимости электрических параметров напряжения лавинообразования, динамического сопротивления, максимальной рассеиваемой энергии лавинообразования, времени срабатывания ограничителя напряжении серии ОНС 3 от геометрических и электрофизических параметров глубины диффузии алюминия, удельного сопротивления пбазы, толщины кремниевой пластины его полупроводниковой структуры. Рассчитаны зависимости величины динамического сопротивления ОНС 3 от напряжения лавинообразования для рабочих диапазонов лавинных токов. Установлены оптимальные геометрические и электрофизические параметры глубина диффузии алюминия, удельное сопротивление пбазы, толщина кремниевой пластины полупроводниковой структуры ОНС 3.