Разработка блока аппаратно-программного комплекса для исследования вольт-амперных характеристик диодов в прямом направлении

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА»

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И СВЕТОТЕХНИКИ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Разработка блока аппаратно-программного комплекса для исследования вольт-амперных характеристик диодов в прямом направлении

Автор бакалаврской работы Д.В. Маркин

Обозначение бакалаврской работы БР - 02069964 - 11.03.04 - 10 - 16

Направление подготовки 11.03.04 Электроника и наноэлектроника

Руководитель работы

к.т.н., доцент Н. Н. Беспалов

Саранск

2016



Реферат

Бакалаврская работа содержит 77 листов машинописного текста, 23 таблицы, 54 рисунка, 43 формулы, 6 источников использованной литературы.

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ, ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ, МОДЕЛЬ ДИОДА

Объект исследования: силовые полупроводниковые приборы (СПП) в состоянии высокой проводимости (СВП).

Цель работы: исследование вольт-амперных характеристик и электротепловых режимов СПП в состоянии высокой проводимости.

Методы исследования: моделирование СПП в среде Multisim, исследование диодов Шоттки на карбиде кремния Д106-10Х-6.

Полученные результаты: графики зависимости падения напряжения диода от времени, при различных значениях температуры полупроводниковой структуры, вольт-амперные характеристики СПП, ТКН диодов.



Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Модели ВАХ диодов в прямом направлении

1.1.1 Мощность потерь и тепловое сопротивление диода

1.2 Методы измерения параметров ВАХ

1.3 Аппаратура для измерения ВАХ

1.4 Выводы

2. Моделирование электрических и тепловых процессов в диодах

2.1 Разработка и исследование электротепловой модели СПП

2.1.1 Обобщённая структура электротепловой модели СПП

2.1.2 Визуализация электрической части модели диода в прямом направлении в среде Multisim

2.2 Моделирование вольт-амперной характеристики диода на 10 А, включенного в прямом направлении, в среде Multisim

3. Разработка схемных решений блока аппаратно-программного комплекса для исследования ВАХ диода в прямом направлении

3.1 Разработка структурной схемы аппаратно-программного комплекса

3.2 Выбор и расчет схемы управляемого источника тока

3.3 Расчет импульсного трансформатора

4. Экспериментальные исследования

Заключение

Список использованных источников



Введение

В различных сферах промышленности используются устройства силовой электроники на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП) на номинальные токи до десятков тысяч ампер и напряжения десятки киловольт. Для коммутации таких мощностей современные силовые блоки разрабатываются на основе группового соединения СПП. В частности, одним из способов построения силовых блоков высоковольтных устройств силовой электроники является последовательное групповое соединение СПП в вентильном плече.

При эксплуатации силовых полупроводниковых приборов, в качестве которых широко применяются силовые диоды и тиристоры, их надёжность обуславливается исходным качеством и режимами эксплуатации. Для повышения надёжности силовых полупроводниковых приборов (СПП) и устройств силовой электроники в целом требуется обеспечить близкие к номинальным электрический и тепловой режимы их эксплуатации. Для решения этой задачи нужно иметь информацию о значениях параметров каждого отдельного прибора. Это должно обеспечиваться путём ведения сплошного контроля значений параметров и характеристик силовых полупроводниковых приборов и отбраковки потенциально ненадёжных приборов на стадиях их производства и эксплуатации. Основными параметрами силовых полупроводниковых приборов являются параметры вольт-амперной характеристики (ВАХ) в состоянии высокой проводимости (СВП) и состоянии низкой проводимости (СНП), а также тепловые и электротепловые параметры.

Значения параметров серийных силовых полупроводниковых приборов имеют существенный разброс, обусловленный естественной нестабильностью технологического процесса производства. Отсутствие у производителей и потребителей приборов эффективных методик и высокопроизводительных аппаратно-программных технических средств определения их характеристик и значений параметров не позволяет устанавливать значения этих параметров для каждого конкретного прибора.

Разработчики устройств силовой электроники на основе группового последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов не имеют информации о значениях параметров приборов. Для определения предельных режимов эксплуатации подобных устройств они вынуждены ориентироваться на паспортные данные, которые обычно устанавливают только предельные значения параметров и не несут достоверную информацию о каждом конкретном приборе.

Требуемые показатели надёжности устройств силовой электроники обеспечиваются за счёт снижения значений предельных параметров силовых полупроводниковых приборов и применения дополнительных снабберных цепей, обеспечивающих защиту приборов от различного рода перенапряжений при их групповом последовательном соединении. Подобный подход к проектированию устройств силовой электроники приводит к недоиспользованию силовых полупроводниковых приборов, увеличению значений параметров защитных и выравнивающих цепей, дополнительным потерям энергии и, соответственно, повышению массы, габаритов и стоимости изделий.

Целью данной бакалаврской работы является исследование ВАХ диодов в прямом направлении, отбраковка потенциально ненадёжных приборов и их подбор по комплексу значений электрических, тепловых и электротепловых параметров.

электрический тепловой моделирование диод



1. Обзор литературы

1.1 Модели ВАХ диодов в прямом направлении

В настоящее время силовая полупроводниковая электроника представляет собой обширную область науки и техники, охватывающую большой круг вопросов получения и исследования полупроводниковых материалов, физических основ и принципов действия приборов различных классов, основ конструирования и технологии их производства, принципов построения и расчета схем.

При написании данной бакалаврской работы была изучена научная литература и учебные пособия российских и зарубежных ученых.

Основными источниками, раскрывшими теоретические и практические основы при проектировании диодов и снятии параметров ВАХ, явились труды Дерменжи П. Г., Кузьмина Н. Н., Чебовского О. Г., Беспалова Н. Н., Сережкина Ю. Н., Ионычева В. К., Ильина М. В., Капитонова С. С.. На основе работ «Расчет силовых полупроводниковых приборов» Дерменжи П. Г, «Проектирование полупроводниковых низкочастотных выпрямительных диодов» Сережкина Ю. Н., Ионычева В. К. подробно рассмотрены протекающие физические процессы в диодах при прямом смещении.

Ссылаясь на труды этих ученых, рассмотрим принцип работы СПП. Установившееся определение силовых приборов как приборов, работающих свыше 10 А, является в известной степени условным, так как физические основы работы силовых приборов и приборов на токи менее 10 А принципиально ничем не отличаются. Поэтому изложение физических принципов дается с единых физических позиций. В то же время особое внимание уделено явлениям, имеющим место в приборах с большой площадью полупроводниковой структуры.

Из учебного пособия «Проектирование полупроводниковых низкочастотных выпрямительных диодов» Сережкина Ю. Н. введем определение выпрямительного диода. Выпрямительный диод - это прибор, предназначенный для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в пульсирующий ток одной полярности). Выпрямительные диоды подразделяются на типы в зависимости от значений предельного тока IFAV и классы по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения URRM. Предельный ток в прямом направлении IFAV - это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через диод, без обратимого изменения его свойств. Значение предельного тока задается при определенной температуре корпуса прибора Tc. При этом температура p-n перехода не должна превышать максимально допустимую Tjm [1].

Схематически структура силового диода представлена на рисунке 1. На нем показано три области. Внешние слои с электронной и дырочной электропроводностью сильно легированы. Они обозначены n+ и p+.

Рисунок 1 - Распределение легирующих примесей в p+-n-n+ структуре с резкими переходами

Эмиттер p+-типа образуют с n-базой p+-n переход. Эмиттер же n+-типа образует с базой электронно-электронный переход (n+-n переход).

Сумма электронного In и дырочного Ip токов равна полному току через переход iF. Диффузионные токи неосновных носителей заряда экспоненциально убывают по мере удаления от границ перехода. Поэтому токи основных носителей возрастают по мере удаления от границ перехода. В случае идеального перехода рекомбинацией носителей в ОПЗ пренебрегают. Прямой ток через p-n переход



(1.1) где

(1.2)

Из формулы (1.1) следует, что прямой ток p-n перехода экспоненциально возрастает с ростом прямого напряжения.

Диффузионная длина дырок в n-базе при высоком уровне инжекции определяется выражением:

(1.3)

где D - амбиполярный коэффициент диффузии; фp - время жизни дырок в n-базе.

Амбиполярный коэффициент диффузии D соответствует выражению:

(1.4)

где b - отношение подвижностей электронов и дырок.

Температурная зависимость времени жизни фp определяется формулой:

(1.5)

где фp0 - время жизни дырок в n-области при температуре Tj0=25 oC.

Температурная зависимость собственной концентрации:



(1.6)

где ni0 - концентрация собственных носителей полупроводника при температуре структуры Tj0=25 oC; B=23,6 для кремния при Tj0=25 oC.

Температурная зависимость толщины n-базы Wn описывается формулой:

(1.7)

где Wn0 - толщина n-базы при температуре Tj0=25 oC.

Прямое напряжение на диоде, зависящее от прямого тока через него, равно сумме падений напряжения на внешних контактах к эмиттерным слоям структуры, самим сильнолегированных эмиттерных слоях, на p+-n и n+-n переходах и на базовой области.

Главный вклад в прямое падение напряжения вносят падения напряжения на переходах и базовой области, которая наименее легирована.

Если принять коэффициент инжекции переходов г=1 при высоком уровне инжекции, то up-n описывается по формуле:

(1.8)

где Isp - дырочная составляющая тока насыщения.

Падение напряжение на n+-n переходе оказывается пренебрежимо малым, так как неравновесная и равновесная концентрации электронов практически равны. Суммарное падение напряжения на переходах



(1.9) где (1.10)

Зависимость прямого тока от прямого напряжения называется прямой ВАХ диода. С учетом формул, приведенных в книге Кузьмина Н. Н. «Расчёт силовых полупроводниковых приборов», мы выразили выражение, описывающее только активную тока. В этом случае прямое падение напряжения uF на диоде определяется как:

(1.11)

Графически прямая ВАХ диода изображена на рисунке 2. Для определения порогового напряжения используется прямолинейная аппроксимация ( прямая линия на рисунке 2).

Рисунок 2 - Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода

Также по графику определяется дифференциальное прямое сопротивление rT:

(1.12)

где ц - угол, приложенный к аппроксимационной прямой.

Изучив труды [2], понимаем, что для в выражении (1.11) учитывается только активная составляющая прямого тока iF. следовательно, для полноценного расчета ВАХ введем схему замещения диода, включенного в прямом направлении (рисунок 3). Она представляет собой параллельное соединение нелинейного сопротивления RF и диффузионной емкости Cд p-n перехода.

Для диода, включенного в прямом направлении, вводится понятие диффузионной емкости. Диффузионная емкость определяется как отношение приращения заряда избыточных неосновных носителей, накопленных в p- и n-областях, к соответствующему приращению прямого напряжения на переходе.

Рисунок 3 - Схема замещения диода при прямом смещении

Выражение диффузионной емкости имеет вид:

(1.13)

Эта емкость не связана с протеканием токов смещения через p-n переход. Однако, при переходных процессах она приводит к емкостному фазовому сдвигу между током и напряжением.

Если переход несимметричный и Na >> Nd, то дырочный ток намного больше электронного. И поэтому прямой ток через p-n переход равен дырочному току. Выражение (1.16) в данном случае имеет вид:

(1.14)



следовательно, диффузионная емкость пропорциональна прямому току.

Учитывая температурную зависимость времени жизни дырок в n-области, получаем

(1.15)

Полученные зависимости нелинейного сопротивления RF и диффузионной емкости Сд p-n перехода диода от значений электрофизических и геометрических параметров полупроводниковой структуры приняты за основу при реализации модели прибора в состоянии высокой проводимости.

Площадь полупроводниковой структуры представлена в виде:

(1.16)

Рассмотрев вышеописанные формулы, сформулируем уравнение ВАХ диода:

(1.17)

Нелинейное сопротивление rF равно:



(1.18)

Учитывая выражение (1.17), получена формула, определяющая rF:

(1.19)

1.1.1 Мощность потерь и тепловое сопротивление диода

При протекании тока через диод в нем рассеивается некоторая мощность, выделяющаяся в виде тепла. Мгновенная мощность определяется формулой (1.20):

(1.20)

I(t) - ток, протекающий через структуру; U(t) - напряжение на элементе.

Средняя мощность потерь определяется как:

(1.21)

где T - период переменного тока.

При определении потерь мощности в прямом направлении обычно используют так называемую кусочно-линейную аппроксимацию прямой ВАХ диода [3]. Исходя из этого, средняя мощность потерь определяется формулой:



(1.22)

где UF(2,5IFAV) - прямое падение напряжения на диоде при протекании тока, равного 2,5IFAV.

При работе диода, тепловая энергия должна выделяться в окружающую среду. Способность отводить тепло от прибора характеризуется тепловым сопротивлением Rthjc. Оно в большей мере определяется теплофизическими характеристиками материалов.

Максимальная мощность, отводимая от полупроводниковой структуры, определяется как:

(1.23)

где Tjm - максимальная температура перехода, Tc - температура корпуса.

Температура корпуса Tc должна превышать температуру окружающей среды. Чем выше Tc, тем удобней осуществить охлаждение прибора.

Исходя из всех рассуждений следует, что максимально отводимая мощность должна превышать максимально выделяемую мощность в диоде. Только в этом случае диод будет корректно работать. Поэтому главным условием тепловой устойчивости является:

(1.24)



1.2 Методы измерения параметров ВАХ

Целью данной главы является анализ и обобщение сведений по методам измерения ВАХ СПП и их классификация по параметрам. Для группирования полупроводниковых приборов по параметрам и отбраковки непригодных приборов, необходимо провести диагностику с помощью специальной аппаратуры, реализующей методы измерения ВАХ.

Авторы зарубежной и отечественной литературы часто классифицируют методы измерения по группам:

- статические (или непрерывные) методы;

- динамические (или импульсные) методы.

Статические методы подразумевают подачу постоянного тока на ИП. Динамические методы предусматривают подачу на ИП коротких импульсов, повторяющихся во времени и изменяющихся в амплитуде.

В настоящее время описываются практические решения для построения измерительной аппаратуры для полупроводниковых приборов. Эти решения заключаются в основном в формировании тепловых и электрических режимов испытания в соответствии в ГОСТ. Структурное формирование измерительной аппаратуры должно соответствовать теоретическому обоснованию процессов, описанных в главе 1.1.

Важнейшими параметрами ВАХ СПП являются:

1. Импульсное напряжение в открытом состоянии UFM - наибольшее мгновенное значение напряжения в открытом состоянии, обусловленное импульсным током в открытом состоянии заданного значения (амплитуда тока открытого состояния равна 3.14 кратному значению максимально допустимого среднего тока в отрытом состоянии IFav.

2. Пороговое напряжение U(Т0) - значение напряжения, определяемое точкой пересечения линии прямолинейной аппроксимации ВАХ открытого состояния с осью напряжения.

3. Динамическое сопротивление в открытом состоянии rT - сопротивление определяемое по наклону прямой аппроксимирующей ВАХ в открытом состоянии.

Простейшая схема измерительной аппаратуры показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема измерительной установки для измерения ВАХ диодов в прямом направлении

На рисунке 6 изображены следующие блоки:

1 - генератор импульсов;

А - амперметр;

V - вольтметр;

ИП - испытуемый прибор.

При исследовании испытуемого прибора, полупроводниковая структура подвергается нагреву, при этом значения напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT существенно изменяются. При прямом включении ветвь ВАХ перемещается к началу координат (линия 2 на рисунке 5), при этом движение каждой точки характеристики осуществляется с разной скоростью. Из этого мы констатируем, что температурный коэффициент напряжения при различных токах также изменяется. Напряжение прибора уменьшается с большей скоростью в нижней части ВАХ и с меньшей - в верхней. Это объясняется изменением наклона ВАХ. Таким образом, возникает температурная зависимость параметров rT и U(TO).[2].



Рисунок 5 - ВАХ диода при различной температуре Tj

Для измерения ВАХ СПП непрерывным методом необходимо подавать на исследуемый прибор непрерывные во времени воздействия с постепенно изменяющейся температурой.

Среди непрерывных методов измерения ВАХ наиболее часто используется метод со ступенчато изменяющейся амплитудой измерительных воздействий (рисунок 6).

Основным недостатком непрерывных методов измерения ВАХ считается накопление тепла в структуре СПП. Это вызывает искажение ВАХ и возникновение методической погрешности.

Рисунок 6 - Ступенчато изменяющаяся форма измерительных воздействий

Нагрев структуры приводит не только к искажению ВАХ, но и к ограничению диапазона измерения. Помимо всего предыдущего, при непрерывном методе измерения ВАХ сильно выражено влияние эффекта захвата носителей тока на результаты измерений.

При измерении ВАХ СПП импульсным методом на испытуемый прибор подается последовательность измерительных импульсов, увеличивающихся в амплитуде. Из-за того, что электрические воздействия возникают только в момент протекания импульса, то существенно снижается нагрев прибора по сравнению с непрерывными методами.

В соответствии с ГОСТ методика измерения прямого импульсного напряжения диода определяется формированием полусинусоидальных или иных импульсов, длительностью импульсного тока, при которой прибор полностью включается и которая не вызывает значительного нагрева перехода во время измерения. Частота повторений импульсов тока аналогично не должна вызывать нагрева p-n перехода.

Измерение проводят следующим образом:

Устанавливают по амперметру А амплитуду импульсов прямого тока;

Измеряют с помощью вольтметра V (в момент времени, соответствующий амплитуде тока после окончания электрических переходных процессов) мгновенное значение напряжения на диоде.

Считается, что прибор выдержал испытание, если импульсное прямое напряжение не превышает установленной нормы.

Среди существующих импульсных методов очень часто используется метод, в ходе которого на ИП подается серия однопериодных синусоидальных импульсов с возрастающей амплитудой (рисунок 7), величиной 3,14•IF(T)AVm - значение максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии.

Расположение контрольных точек измерения напряжения должно соответствовать стандартам или техническим условиям на конкретные типы диодов.



Рисунок 7 - Однополупериодный синусоидальный импульс тока

Основной проблемой при снятии параметров ВАХ СПП является сложность устранения влияния емкостной составляющей тока iC. Следует отметить, что для минимизации влияния тока iC , протекающего через диффузионную емкость Cд (рисунок 3), измерение прямого напряжения UF необходимо проводить в амплитуде, чтобы соблюдалось условие .

Если условие будет нарушено, то вследствие протекания части тока через диффузионную емкость, прямая ветвь будет иметь вид, изображенный на рисунке 8.

Рисунок 8 - Прямая ветвь ВАХ диода с петлей

Образование петли на ВАХ также связано с тем, что за время нарастания импульса тока, протекающего через прибор, температура Tj увеличивается, при этом уменьшается прямое падение напряжение на диоде.

Проводя экспериментальные исследования, пришли к выводу, что для реальных СПП условие достигается не в амплитуде, как казалось ранее, а на спаде синусоидального импульса. Точка, в которой справедливо это условие, определяется при математическом моделировании испытуемого прибора.

В своей выпускной квалификационной работе рассматривается способ измерения прямой ветви ВАХ с помощью формирования трапецеидального импульса тока, изображенного на рисунке 9. Сформированный импульс должен соответствовать критериям, указанным в ГОСТ. А именно - длительность импульса не должна вызывать разогрева структуры.

Рисунок 9 - Трапецеидальный импульс тока

При изменении тока через p-n переход возникают переходные процессы включения, обусловленные инертностью процессов, протекающих в полупроводниковой структуре. Бывают переходные процессы включения, переключения и выключения диода. Инертность процессов связана с накоплением и рассасыванием неосновных носителей заряда в слаболегированной базе диода, а также с перезарядом барьерной емкости p-n перехода.

Рассмотрим переходной процесс включения диода. До протекания тока через p-n переход концентрация неосновных носителей (дырок в n-базе) имеет значение pn0. А уже при протекании тока через диод происходит инжекция дырок в базу. Ток дырок, рекомбинирующих в базе, пропорционален избыточному заряду дырок Qp и обратно пропорционален времени жизни фp, т.е. .

Переходные процессы при прохождении через диод прямого импульса тока большой амплитуды приводят к образованию высокого уровня инжекции дырок в n-базе. В момент времени t = 0 начинается инжекция дырок в базу, напряжение U увеличивается и стремится к контактной разности потенциалов p-n перехода (рисунок 10, б). Начальное падение напряжения на сопротивлении базы может значительно превышать контактную разность потенциалов (рисунок 10, в). По мере накопления дырок в силу квазинейтральности (np=pn) в базе увеличивается концентрация и дырок, и электронов. Это приводит к уменьшению сопротивления базы, а именно падение напряжения уменьшается (рисунок 10, в) [4].

Рисунок 9 - Временные диаграммы токов и напряжений при протекании прямоугольного импульса тока

Переходной процесс занимает порядка (3-5)фp. Время жизни фp зависит от конструктивных особенностей СПП.

В соответствии с ГОСТ, измерение прямого напряжения необходимо проводить после завершения всех переходных процессов, протекающих в p-n переходе. Следовательно, принимаем, что снятие показаний вольтметра должно быть примерно при 15фp.

Формируя, трапецеидальные импульсы тока, протекающие через СПП, необходимо следить, чтобы отсутствовал спад полочки, т.к. в этом случае устраняется влияние емкостной составляющей тока iC и выполняется условие . Это в свою очередь исключает образование петли на прямой ветви ВАХ (рисунок8).



1.3 Аппаратура для измерения ВАХ

В настоящее время мировым лидером для исследования СПП считается швейцарская компания LEMSYS. Производительность этого предприятия довольно широка. Их аппаратура разделяется на портативную и стационарную. При всем при этом компания LEMSYS не затрагивает область определения тепловых параметров СПП.

Рисунок 10 - Портативная измерительная аппаратура компании LEMSYS TP0620

Среди отечественных разработок испытательного оборудования для СПП можно выделить испытательный комплекс «АДИП» [5], разработанный на базе МГУ им. Н. П. Огарёва. Испытательный комплекс «АДИП» выполнен в соответствии со всеми требованиями ГОСТ.

Данное оборудование широко применяется на российском рынке благодаря своим широким возможностям, малым габаритам и низкой цене.

Основным недостатком данного измерительного комплекса считается отсутствие связи с ПК. Из этого следует, что в данном комплексе отсутствует автоматическая сортировка СПП по определенным параметрам.

НГТУ (НЭТИ) предоставляет программный комплекс ИСХ1, предназначенный для проведения лабораторного практикума в ВУЗах. С помощью данного измерителя можно исследовать ВАХ различных приборов, входные и выходные характеристики.



Рисунок 11 - Измеритель статических характеристик ИСХ1

У данного прибора существует следующий функциональный состав:

1 управляемый генератор напряжения;

1 измеритель тока (канал I);

2 измерителя напряжения (каналы U1 и U2);

1 терморегулятор.

Прибор ИСХ1 обеспечивает следующие режимы работы:

I=F(U1);

U1=F(U2);

U2=F(I).

Диапазоны измерения следующие:

амплитуды переменного напряжения каналов U1 и U2 от 25•10-3 до 40 В;

амплитуды переменного тока канала I от 1 мкА до 40 мкА.

Выходная частота задающего генератора - 50 Гц;

Форма сигнала генератора: синус или треугольник;

Максимальная амплитуда сигнала генератора - 14 В.

Также широко развито производство аппаратных средств, предназначенных для виртуальной разработки приборов. Среди российских компаний лидерами в этой области считаются: ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы», ЗАО «Руднев-Шуляев», ЗАО «Инструментальные системы». Лидеры среди зарубежных компаний: «National Instruments», «Diamond Systems», «Signatec», «Addi-Data».

Абсолютным мировым лидером в данной концепции считается National Instruments. Главным отличием этой компании является предоставление графической среды программирования LabVIEW, которая обладает наибольшей функциональностью и гибкостью.

Для решения современных задач быстрой диагностики СПП наиболее верным является использование современных автоматизированных аппаратно-программных комплексов, которые должны измерять электротепловые параметры и характеристики, определять и отбраковывать ненадежные приборы.

Для осуществления этих задач на базе НИ МГУ им. Н.П. Огарёва был разработан и изготовлен АПИИК для испытания СПП в состоянии высокой проводимости. Внешний вид показан на рисунке 12.

Рисунок 12 - Внешний вид АПИИК

Данный комплекс позволяет измерять следующие параметры:

- тепловое сопротивление переход-корпус в установившемся тепловом режиме Rthjc;

дифференциальное сопротивление rT, при Tj от -40 0С до +190 0С;

пороговое напряжение U(TO), при Tj от -40 0С до +190 0С;

импульсное напряжение UF(T)М;

предельный средний ток IF(T)(AV) до 200 А;

неповторяющийся ударный ток IF(T)SM длительностью 10 мс.

АПИИК состоит из 2 частей:

-испытательный блок;

- ПК.

Испытательный блок состоит из блоков, задающих электрические режимы испытания: блок синхронизации с сетью и измерительно-управляющий блок.

К блокам, задающим электрические режимы, относятся источники тока.

Измерительно-управляющий блок основан на оборудовании компании National Instruments и включает в себя:

шасси NI cDAQ-9174;

АЦП NI 9217, предназначенный для измерения температуры корпуса испытуемого прибора с помощью платиновых термометров сопротивления;

АЦП NI 9223, предназначенный для измерения токов, протекающих через испытуемый прибор и напряжения на нем, и сигнала синхронизации;

ЦАП NI 9263, предназначенный для управления источниками тестового тока постоянного греющего тока;

цифровой порт NI 9401, управляющий источником импульсного греющего тока и индикаторными светодиодами.

Модуль cDAQ соединяется с персональным компьютером через USB порт. ПК в данном комплексе должен иметь LabVIEW Run-Time 2011 и разработанное для испытательного комплекса управляющее программное обеспечение[2]. На основании данного краткого обзора существующих основных систем для испытания и диагностики СПП возможно отметить, что в мировой практике существует множество систем испытаний и тестирования СПП различных типов. Все эти системы являются автоматизированными испытательно-измерительными устройствами различной степени сложности, обладающими различными функциональными и техническими возможностями, но не являются приборами, полностью диагностирующими СПП.

1.4 Выводы

В результате анализа существующих методов измерения ВАХ СПП установлено, что исходя из таких критериев, как степень автоматизации и длительность измерения, а также степень саморазогрева полупроводниковой структуры при исследовании, самыми эффективными являются автоматизированные импульсные методы. Такие методы должны реализовываться с помощью быстродействующих аппаратно-программных комплексов исследования ВАХ диодов.



2. Моделирование электрических и тепловых процессов в диодах

2.1 Разработка и исследование электротепловой модели СПП

2.1.1 Обобщённая структура электротепловой модели СПП

Целью этой главы является изучение и анализ электротепловых моделей приборов, позволяющих задавать значения электрофизических и геометрических параметров полупроводниковых структур в зависимости от требуемых эксплуатационных условий.

В разделе 2.1 проанализированы электротепловые модели СПП в среде моделирования Multisim и проведены исследования электротепловых процессов, протекающих в дискретных СПП при их выключении.

Для исследования электротепловых процессов, протекающих в СПП, были разработаны ЭТМ СПП, позволяющие задавать значения электрофизических и геометрических параметров моделей структур и значения тепловых параметров приборов. Электрические процессы, протекающие в СПП, зависят от значений электрофизических и геометрических параметров их полупроводниковых структур. Система данных параметров структур СПП, на основе которой описаны электрические процессы, протекающие в приборах, рассматривалась, как одна из составных частей ЭТМ и получила название электрическая модель (ЭМ) [2].

Корпус СПП способен отводить тепло, в независимости от электрофизических и геометрических параметров полупроводниковой структуры прибора. На основе этого была описана вторая часть ЭТМ, названная тепловой моделью (ТМ).

Исходя из вышесказанного, модель СПП состоит из ЭМ, в которой описаны электрические процессы, и ТМ, описывающей тепловые процессы. ЭМ и ТМ связаны тепловой обратной связью [6]. На рисунке 13 изображена структурная схема ЭТМ СПП, где ДТ - датчик тока, ДН - датчик напряжения, УМН - умножитель:

Рисунок 13 - Структурная схема ЭТМ СПП

ЭМ описывает зависимость ВАХ СПП от значений различных электрофизических и геометрических параметров их структур. Значения этих параметров зависит от температуры Tj. ДТ служит для измерения активной составляющей тока. С помощью ДТ, ДН и УМН определяется величина активной мощности Ptot, которая рассеивается на приборе. Значение данной мощности описывается в ТМ, в которой рассчитывается величина температуры структуры Tj. Это значение температуры поступает в ЭМ, в которой происходит перерасчет электрофизических параметров структуры, зависящих от температуры Tj. В итоге возникает тепловая обратная связь между ЭМ и ТМ, которая приближает характеристики моделей с характеристиками реальных приборов.

2.1.2 Визуализация электрической части модели диода в прямом направлении в среде Multisim

Для изучения и анализа процессов, протекающих в диоде при прямом включении применяется схема замещения, изображенная на рисунке 3. На основе выражений полученных в разделе 1.1 и описывающих физические процессы, протекающие в СПП, была разработана ЭМ СПП. Данная ЭМ была реализована в среде Multisim (рисунок 14).



Рисунок 14 - ЭМ диода в СВП, реализованная в среде Multisim

Данная модель состоит из следующих частей:

А - анод СПП;

К - катод СПП;

ДТ - датчик тока;

А1 - блок управления нелинейным сопротивлением IrF;

A2 - блок управления диффузионной емкостью Сд;

rF - нелинейное сопротивление;

Cд - диффузионная емкость;

Т - контакт для подключения источника питания, задающего начальное значение температуры Tj0;

d - контакт для подключения источника питания, задающего значение диаметра полупроводниковой структуры СПП;

фр - контакт для подключения источника питания, задающего значение времени жизни дырок в n-базе СПП;

Wn - контакт для подключения источника питания, задающего значение толщины n-базы СПП. Величины геометрических и электро-физических параметров полупроводниковой структуры, такие как диаметр, время жизни дырок в n-базе прибора, толщина n-базы Wn, начальная температура структуры Tj0, оказывают существенное влияние на процессы, протекающие в СПП и отличаются для различных типов и классов приборов, то в данной модели предполагается изменять вышеописанные величины. Основной характеристикой диода, включенного в прямом направлении является его вольт-амперная характеристика. В разделе 2.2 проведено моделирование зависимости ВАХ от значений вышеописанных параметров полупроводниковой структуры СПП.



2.2 Моделирование вольт-амперной характеристики диода на 10 А, включенного в прямом направлении, в среде Multisim

Для моделирования был выбран низкочастотный диод, рассчитанный на IFAVm = 10 А и на значения предельного повторяющегося импульсного обратного напряжения URRM до 800 В с диаметром полупроводниковой структуры 6 мм, временем жизни дырок в n-базе фр = 20 мкс. Исходя из того, что значение напряжения URRM = 800 В, толщина базы берется равной Wn = 300мкм [3]. Значения температуры полупроводниковой структуры Tj взяты в интервале от -40 0С до 125 0С.

Из раздела 1.2,следует, что измерение параметров ВАХ проведено методами формирования определенных импульсов.

Исследование начинаем с помощью метода формирования одного полусинусоидального импульса тока значением, равным 3,14IFAVm, и длительностью импульса, равной 10 мкс. На рисунке 15 изображена прямая ветвь ВАХ исследуемого диода. Температура структуры соответствует значению Tj= -40 0C.

Рисунок 15 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока (Tj= -40 0C)

На рисунке 15 видим петлю, которая, как было описано ранее, возникает из-за влияния на измерение емкостной составляющей тока iC ( рисунок 16).



Рисунок 16 - Временные зависимости токов iR, iC и iF от времени в СВП

Из раздела 1.2 следует, что в соответствии с ГОСТ методика измерения прямого импульсного напряжения диода определяется формированием полусинусоидальных или иных импульсов, длительностью импульсного тока, при которой прибор полностью включается и которая не вызывает значительного нагрева перехода во время измерения. Измерения проводят с помощью вольтметра V (в момент времени, соответствующий амплитуде тока после окончания электрических переходных процессов) мгновенное значение напряжения на диоде.

Проводим исследование ВАХ модели испытуемого диода методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой. Измерения проводят в соответствии с ГОСТ (в момент времени, соответствующий амплитуде тока после окончания электрических переходных процессов). Результаты измерений заносим в таблицу 1.

Таблица 1 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =-40 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока и измеренная в амплитуде

UF, B	IF, A
0	0
0,13	0,09
0,5	0,68
0,66	1,5
0,75	2,4
0,8	3,3
0,86	5,3
0,92	8,2
0,98	13,1
1	16,1
1,02	18,07
1,06	23,02
1,13	32,95

По значениям таблицы 1 построена ВАХ модели диода (рисунок 17).

Рисунок 17 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока и измеренная в амплитуде (Tj = -40 0C)

Из рисунка 17 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = -40 0С соответственно равны, U(TO) = 0,88 В, rT = 7 мОм.

Промоделировав модель испытуемого диода, приходим к выводу, что значение реактивного тока iC=0 не в амплитуде, а на спаде импульса (рисунок 18).



Рисунок 18 - Временная зависимость тока iR, iC и iF при значении IF = 8 А, показанная на осциллографе в среде Multisim

Как следует из рисунка 18, при значении IF = 8 А и температуре ПС Tj=-40 0C условие запаздывает от значения амплитуды тока iF на 83 мкс.

Рисунок 19 - Временная зависимость тока iR, iC и iF при значении IF = 33 А, показанная на осциллографе в среде Multisim

На рисунке 19 видим, что при значении прямого импульсного тока IF=33 А, емкостной ток iC = 0 смещается на 137 мкс от амплитуды прямого тока iF.

Учитывая все вышеописанные условия, определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, снятой методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0. Результаты измерений заносим в таблицу 2.

Таблица 2 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =-40 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0

UF, B	IF, A
0	0
0,13	0,92
0,5	0,68
0,66	1,49
0,75	2,39
0,8	3,33
0,86	5,25
0,92	8,18
0,98	13,11
1	16,08
1,02	18,06
1,06	23,01
1,13	32,93

По значения таблицы 2 строим ВАХ модели испытуемого диода при температуре полупроводниковой структуры Tj = -40 0C (рисунок 19).

Рисунок 20 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0 (Tj = -40 0C)

Из рисунка 20 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = -40 0С соответственно равны, U(TO) = 0,88 В, rT = 7 мОм.

Таблица 3 - Погрешность измерения ВАХ модели испытуемого диода, снятой методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока и измеренной в амплитуде

UF, B	IF1, A	IF2, A	Погрешность измерения для IF , %
0	0	0	0
0,13	0,92	0,93	0,5
0,495	0,68	0,68	0,1
0,663	1,49	1,49	0,0
0,749	2,39	2,39	0,0
0,801	3,33	3,33	0,0
0,864	5,25	5,26	0,2
0,92	8,18	8,19	0,1
0,98	13,11	13,12	0,1
1	16,08	16,09	0,1
1,023	18,06	18,07	0,1
1,061	23,01	23,02	0,0
1,126	32,93	32,95	0,1

В таблице 5 показаны следующие величины:

UF - значение прямого импульсного напряжения;

IF - значение прямого импульсного тока, снятого методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока измеренных при iC = 0;

IF1 - значение прямого импульсного тока, снятого методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока измеренных в амплитуде.

Проанализировав таблицу 3, приходим к выводу, что погрешность измерения ВАХ модели испытуемого диода, снятой методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока и измеренной в амплитуде при температуре ПС Tj = -40 0C, не превышает 0,5 %. Следовательно, для 10 А диода, испытанного при температуре ПС Tj = -40 0C измерение зависимости IF(UF) можно проводить методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока, измеренных в амплитуде.

Изучив и проанализировав метод подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой, приходим к выводу, что на практике он является не совсем оптимальным при измерении параметров ВАХ СПП. Т.к. в реальности сложно формировать идеальный синусоидальный сигнал и снимать значения напряжений в точке, в которой выполняется условие , т.к. фазовый сдвиг между реактивным и активным токами изменяется при увеличении амплитуды прямого импульсного тока iF.

Исходя из вышесказанного, приходим к выводу, что для снятия ВАХ СПП наиболее правильным будет формирование трапецеидального импульса прямого тока. Данный метод был описан в разделе 1.2.

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при температуре ПС Tj = -40 0C. Результаты измерений заносим в таблицу 4.

Таблица 4 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =-40 0C, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой

UF, B	IF, A
0	0
0,49	0,68
0,66	1,49
0,75	2,39
0,84	4,29
0,92	8,19
0,95	10,16
1,02	18,07
1,09	27,98
1,16	37,91

На рисунке 21 изображена ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой, при температуре ПС Tj = -40 0C.



Рисунок 21 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока (Tj = -40 0C)

Из рисунка 21 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = -40 0С соответственно равны, U(TO) = 0,88 В, rT = 7 мОм.

Исследуя ВАХ модель диода, показанную на рисунке 15, которая определена с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока, необходимо рассчитать ошибку измерения, которая возникла при снятии зависимости IF(UF), при температуре ПС Tj =-40 0C. Для этого аппроксимируем ВАХ, изображенную на рисунке 21, т.к. она исключает реактивную составляющую тока iF. Разбиваем данную ВАХ на два участка ОА и АВ для более точного описания кривой (рисунок 22). Участок кривой ОА описывается выражением:

(2.1)

Соответственно, участок АВ описывается формулой (2.2)

(2.2)



Рисунок 22 - ВАХ модели испытуемого диода с участками для аппроксимации (Tj = -40 0C)

Проводя расчеты по вышеуказанным формулам, заносим значение погрешности измерения в таблицу 5.

Таблица 5 - Погрешность измерения ВАХ, снятой с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока, при температуре ПС Tj =-40 0C

UF, B	IF, A	IF1, A	IF2, A	Погрешность измерения для IF1 , %	Погрешность измерения для IF2, %
0	0	0	0	0	0
0,5	0,7	3,2	0,2	78	287
0,6	1	4	0,4	74	115
0,7	1,9	4,9	1,1	63	75
0,8	3,4	6,2	2,5	44	37
0,9	7	8,5	6,2	16	13
1	15,4	16,3	14,5	5	6,6
1,1	28,8	29,5	28,2	2,2	2,3
1,2	31,9	32,4	31,6	1,4	0,6

В таблице 5 показаны следующие величины:

UF - значение прямого импульсного напряжения;

IF - значение прямого импульсного тока, снятого методом подачи трапецеидальных импульсов тока;

IF1 - значение прямого импульсного тока, снятого на возрастании полусинусоидального импульса тока;

IF2 - значение прямого импульсного тока, снятого на спаде полусинусоидального импульса тока.

Изучив таблицу 5, приходим к выводу, что ВАХ модели диода, определенная с помощью одного полусинусоидального импульса тока, измеряется с большой погрешностью ввиду влияния реактивной составляющей тока. В соответствии с ГОСТ погрешность измерения не должна превышать 5 %. следовательно Данный подход для измерения ВАХ СПП считаю неприемлемым, т.к. невозможно достоверно определить основные параметры, такие как пороговое напряжение U(TO) и дифференциальное сопротивление rT.

Исследуем ВАХ модели испытуемого диода при различных температурах. Снятие зависимости IF(UF) начинаем с помощью метода формирования одного полусинусоидального импульса тока значением, равным 3,14IFAVm, температура ПС Tj = -20 0C. На рисунке 23 изображена прямая ветвь ВАХ исследуемого диода.

Рисунок 23 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью формирования одного импульса тока (Tj= -20 0C)

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0 (Tj = -20 0C). Результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =-20 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0

UF, B	IF, A
1	2
0	0
0,13	0,10
0,48	0,69
0,65	1,51
0,73	2,41
0,82	4,31
0,84	5,27
0,87	6,25
0,90	8,20
0,93	10,17
0,97	13,12
1,01	18,07
1,05	23,02
1,09	27,97
1,13	32,93

По значения таблицы 6 строим ВАХ модели испытуемого диода при температуре полупроводниковой структуры Tj = -20 0C (рисунок 24).

Рисунок 24 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0 (Tj = -20 0C)

Из рисунка 24 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = -20 0С соответственно равны, U(TO) = U(TO) = 0,86 В, rT = 8 мОм. Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при температуре ПС Tj = -20 0C. Результаты измерений заносим в таблицу 7.



Таблица 7 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =-20 0C, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой

UF, B	IF, A
0	0
0,48	0,69
0,82	4,31
0,90	8,21
0,95	12,15
1,01	18,08
1,05	22,04
1,09	27,99
1,13	33,94

По таблице 7 строим ВАХ модели испытуемого диода, изображенную на рисунке 25.

Рисунок 25 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока (Tj = -20 0C)

Из рисунка 25 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = -20 0С соответственно равны, U(TO) = 0,86 В, rT = 8 мОм.

На рисунке 26 изображена ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью метода формирования одного полусинусоидального импульса тока значением, равным 3,14IFAVm при температуре ПС Tj = 0 0C.

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0 (Tj = 0 0C). Результаты заносим в таблицу 8.

Таблица 8 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj = 0 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0

UF, B	IF, A
1	2
0,00	0,00
0,12	0,10
0,47	0,70
0,63	1,53
0,76	3,37
0,82	5,29
0,89	8,22
0,95	13,14
0,98	16,10
1,00	18,08
1,05	23,02
1,09	27,97
1,13	32,89

По значения таблицы 8 строим ВАХ модели испытуемого диода при температуре полупроводниковой структуры Tj = 0 0C (рисунок 27).

Рисунок 27 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0 (Tj = 0 0C)



Из рисунка 27 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 0 0С соответственно равны, U(TO) = 0,85 В, rT = 8,5 мОм.

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при температуре ПС Tj = 0 0C. Результаты измерений заносим в таблицу 9.

Таблица 9 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =0 0C, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой

UF, B	IF, A
1	2
0	0
0,469	0,703
0,796	4,33
0,848	6,29
0,885	8,22
0,94	12,16
1	2
1,003	18,09
1,056	24,03
1,089	27,99
1,135	33,938

По таблице 9 строим ВАХ модели испытуемого диода, изображенную на рисунке 28.



Рисунок 28 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока (Tj = 0 0C)

Из рисунка 28 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 0 0С соответственно равны, U(TO) = 0,85 В, rT =8,5 мОм.

На рисунке 29 изображена ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью метода формирования одного полусинусоидального импульса тока значением, равным 3,14IFAVm при температуре ПС Tj = 20 0C.

Рисунок 29 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью формирования одного импульса тока (Tj= 20 0C)

Определяем зависимость IF(UF) модели...