Реферат
Введение 4
1 Описание структуры и принципа действия биполярного транзистора
с изолированным затвором (БТИЗ) 6
2 Эффект «защелкивания структуры» 20
3 Моделирование тиристорной структуры в закрытом состоянии при обратном
включении 27
4 Проектирование тиристорной основы 34
4.1 Выбор полупроводникового материала 34
4.2 База р-типа 36
4.3 База п-типа 41
4.4 Эмиттеры- и п-типа 46
5 Анализ условий зрительной работы при работе с ПЭВМ 47
Заключение 50
Список использованных источников 52
Приложение А. Лист задания ВКР 53
Приложение Б. Программа расчёта в среде программирования MathCAD 65
Приложение В. Публикации по теме ВКР 67
Приложение Г. Иллюстративная часть 57
Приложение Е. Антиплагиат 80
Полупроводниковый ключ в современной электронике является одним из важнейших элементов. Основные принципы работы данных приборов используются практически во всех бестрансформаторных преобразователях тока и напряжения, инверторах, частотных преобразователях и т.д. Их применение дает возможность существенно упростить схему, уменьшить размеры и улучшить технические характеристики. Для применения такого прибора в силовой электронике, чтобы избежать использование цепей питания управляющего электрода, была предложена структура биполярного транзистора с изолированным затвором, где управление осуществляется небольшим напряжением. Основная область их применения - мощные, высоковольтные схемы.
Серьёзным недостатком БТИЗ является возникновение «эффекта защелкивания» структуры. Этот эффект возникает при работе в режиме прямого включения. Он заключается в том, что транзистор может продолжать удерживать высокий ток, даже если сигнал на затвор прекращен. В результате транзистор не переходит в режим отсечки и продолжает пропускать ток, что может привести к перегреву устройства и его повреждению.Для предотвращения появления данного эффекта необходимо разобраться в причинах его возникновения и провести анализ структуры на предмет того какие параметры необходимо изменять при проектировании устройства.
Также одним из важных параметров который нужно учитывать является напряжение пробоя при обратном включении. БТИЗ при обратном смещении находится в закрытом состоянии. Расчёт напряжения пробоя при обратном включении позволяет оценить риск при проектировании.
Все расчёты будут произведены с взятыми из свободных источников значениями концентрации примесей. Это позволит получить более наглядные зависимости. Но при реальном проектировании и разработке структуры расчёты основываются на заданном значении необходимого рабочего напряжения. Следовательно, необходимо решить прямую задачу - поиск параметров структуры, при которых будет реализовано необходимое значение рабочего напряжения. Задача, поставленная в этой работе - получение значений концентрации примеси в базе при которых, теоретически, полностью исключается возможность появления «эффекта защелкивания» структуры. Также при подборе необходимо учитывать возможность смыкания областей объемного заряда.
Цель данной работы - подробно изучить причины возникновения эффекта защелкивания структуры и составление модели расчёта предельных напряжений. На основании данной модели дать оценку по необходимости изменения структуры для увеличения напряжения пробоя. Получить методику, позволяющую установить связь между параметрами структуры и появлением тиристорного эффекта.
В ходе выполнения магистерской диссертации был произведен расчёт параметров и характеристик биполярного транзистора с изолированным затвором. В первом пункте работы было проведено сравнение структуры тиристора со структурой БТИЗ, в ходе которого был вделан вывод, что структура БТИЗ представляет собой обычный тиристор. Управление данным прибором осуществляется с помощью напряжения, а именно подачей напряжения на затвор. Вследствие этого образуется канал, через который дополнительные носители заряда попадают в базовую область. Принцип действия подзатворной области БТИЗ схоже с принципом действия полевого транзистора.
Произведено описание причин возникновения эффекта «защелкивания структуры». Данный эффект связан с открытием паразитного тиристора и при определенном напряжении приводит к пробою структуры. Его возникновение может происходить по трём причинам. Для случаев исключительно накопления носителей заряда в базах и лавинного размножения носителей заряда были получены значения пробойного напряжения. Комбинированный вариант, когда пробой происходит одновременно по двум причинам, является более сложным и может служить темой дальнейших исследований.
В дополнение к теме причин возникновения пробоя структуры было произведено моделирование тиристорной структуры БТИЗ при обратном включении. Составлен алгоритм расчёта напряжения пробоя.
Все решеные выше задачи являются «обратными». Зная концентрации примеси, были получены значения напряжений пробоя. В реальности при проектировании необходимо решить «прямую» задачу, а именно произвести подбор значений концентрации примеси, которые обеспечат заданное рабочее напряжение и, одновременно, напряжение пробоя.
Разработана методика позволяющая установить связь между параметрами структуры и появлением эффекта «защелкивания» структуры. Были подобраны концентрация примеси и ширина базы, при которых полностью исключается тиристорный эффект. При этом обязательно происходит проверка на отсутствие вероятности смыкания областей объемного заряда.
Хотя полученные значения и гарантируют нулевой коэффициент передачи, они могут не устраивать с точки зрения, например, номинальной рассеивающей мощности или быстродействия. При дальнейшей оптимизации необходимо рассчитывать параметры самого компонента и искать минимальные возможные значения, при которых коэффициент передачи не будет превышать значение единицы.
