Исследование и моделирование тепловых процессов и ударных токов в силовых полупроводниковых приборах

• Автор: Мамонов, Валентин Иванович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1985
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 214 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И УДАРНЫХ ТОКОВ В 6ЙЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Методы исследования тепловых процессов в СПП

1.2. Отказы СПП при воздействии высоких температур и ударных токов .

1.3. Вопросы моделирования тепловых процессов и ударных токов .

1.4. Задачи диссертации .

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ ПРИ ПРОТЕКАНИИ УДАРНЫХ
ТОКОВ .

2.1. Физическая модель расчета температуры

2.2. Численная модель расчета температуры .

2.3. Источники тепла в численной модели СПП
2.4. Сравнение с экспериментом
2.5. Результаты расчетов температуры приборов прижимной конструкции .
2.6. Выводы .
ГЛАВА 3. ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ Р I П СТРУКТУРЫ ОБРАТНЫМ ТОКОМ
3.1. Напряжение теплового пробоя неоднородно нагретой
р 1 п структуры стационарный случай
3.2. Динамика теплового пробоя
3.3. Тепловой пробой реальной структуры .
3.4. Выводы
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА УДАРНЫХ ТОКОВ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ. БЕЗУСЛОВНЫЙ ОТКАЗ.
4.1. Экспериментальные исследования отказов при воздействии ударных токов
4.2. Анализ условий образования шнура прямого тока
4.3. Особенности поведения высоковольтных структур при воздействии ударного тока .
4.4. Динамика теплового пробоя, обусловленного прямым током
4.5. Модель для расчета ударных токов диодов и тиристоров с безусловным отказом. Экспериментальная проверка
4.6. Выводы
ГЛАВА 5. МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА УДАРНОГО ТОКА В РЕЖИМАХ С ПРИЛОЖЕНИЕМ ПРЯМОЮ И ОБРАТНОЮ НАПРЯЖЕНИЙ
5.1. Условие отказа в режиме с приложением прямого напряжения
5.2. Модель расчета ударного тока в режиме с приложением повторного прямого напряжения. Сравнение с экспериментом
5.3. Расчет зависимости ударного тока от конструкции
СПП, температуры и режима испытаний .
5.3.1. Зависимость ударного тока от величины контактного теплового сопротивления .
5.3.2. Зависимость ударного тока от начальной температуры
5.3.3. Зависимость ударного тока от толщины кремниевой пластины .
5.3.4. Ударные токи приборов различной конструкции
5.3.5. Зависимость ударного тока от длительности импульса
5.3.6. Допустимый ток при импульсе косинусоидальной
формы .
5.4. Модель расчета ударного тока в режиме с приложением обратного напряжения после воздействия импульса тока .
5.5. Экспериментальная проверка модели
5.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .
ЛИТЕРАТУРА


Существо метода состоит в том, что элементы КС -сетки строятся на основе изучения кривой охлаждения прибора, а нагрев от воздействия импульса мощности определяется расчетными методами хорошо разработанной теории импульсных схем. Этот метод обладает недостатками аналитических методов и требует дополнительных экспериментальных исследований. С его помощью невозможно рассмотрение нелинейных процессов теплопроводности, поскольку он развит для линейных УРТ. Наиболее успешно задачи теплопроводности в настоящее время решаются методами машинного моделирования. Они разделяются на методы непрерывного (с использованием аналоговых вычислительных машин - АВМ) и дискретного моделирования (на ЦВМ) • Решение УРТ на АБМ обладает такими преимуществами, как повышенная скорость, физич-ность проведения решения //, но имеет невысокую точность и плохо подходит для выполнения задач САПР. Работа на АВМ требует специально подготовленного персонала. В то же время отлаженная программа превращает моделирование на ЦВМ в хорошо формализуемую, легко осуществляемую процедуру, которой можно научиться пользоваться без особой специальной подготовки. САПР предопределило выбор ЦВМ как основного инструмента в создании и эксплуатации САПР /6/. Большие достижения в решении УРТ на ЦВМ связаны с сеточным методом конечных разностей (МКР). Он основан на замене производных их приближенным значением, выраженным через разности значений температуры в отдельных дискретных точках-узлах сетки. В результате УРТ представляется соотношениями в конечных разностях, решение которых состоит в выполнении простых алгебраических операций. Разностные методы решения УРТ освещены в работах /,,-/ и др. МКР может быть реализован по явной и неявной схемам, имеющим свои преимущества и недостатки. Неявная схема,являясь абсолютно устойчивой (т. Вызванные этим потери машинного времени частично компенсируют увеличением шага по времени, снижая, однако, при этом точность решения. Неявная схема позволяет рассматривать нелинейные УРТ специальными приемами, нашедшими применение в последние годы //. В отличие от нее явная схема,будучи значительно более простой,вполне приспособлена для учета всякого рода нелинейностей. Однако она приводит к расходящемуся решению при невыполнении условия адиабатичности нагрева элемента пространства за один шаг по времени //. Для получения высокой точности решения необходимо выбирать малый шаг по координате, а, следовательно, и по времени. Соответствующего увеличения времени счета избегают используя симметрию конструкций, увеличение межузельных расстояний в элементах с медленным изменением температуры и пр. В основном тепловые процессы рассматривают с помощью неявной схемы в связи с ее устойчивостью. Наиболее популярным является метод "прогонки", которым решено множество задач как для одномерного /,,-,,,/ так и для двумерного /,,/ случаев распространения тепла в приборах. Рассматривались многослойные структуры, состоящие из разнородных материалов, с источниками тепла равномерно /,,,/ и сложным образом /,, ,,/ распределенными в кремниевой пластине, учитывалось изменение теплоемкости с температурой // и т. Однако в упомянутых работах изучены лишь структуры с идеальными контактами, а изменение теплопроводности кремния из-за трудностей с нелинейностями либо игнорировалось вовсе, либо учитывалось некорректно /, ,/ в указанном выше смысле. В последние три десятилетия бурно развивается еще один сеточный метод - метод конечных элементов (МКЭ) //, который позволяет эффективно решать УРТ для тел сложной пространственной конфигурации. МКЭ имеет большие преимущества перед МКР при рассмотрении неодномерных процессов //. В области полупроводниковых приборов пока еще имеется небольшое количество работ с применением МКЭ, например, //, где рассмотрена линейная задача теплопроводности’для силовых приборов с осевой симметрией. Проведенный анализ методов решения УРТ показывает, что в настоящее время наиболее пригодным для расчета значительного импульсного нагрева силовых полупроводниковых приборов является численный метод конечных разностей. Его реализация по явной схеме позволяет учесть зависимость теплофизических параметров материалов конструкции и вольт-амперной характеристики от температуры.