Simulace diody (TCE 2006)

Simulace diody (TCE 2006) Cíl: 1. Seznámení s prostředím pro device simulation (DECKBUILD) pomocí 1-D simulace P-I-N diody (ATLAS) ve statickém a dynamickém režimu v komutačním obvodu (MIXEDMODE) 3. Sestavení vstupního souboru (input deck) pro 2-D simulaci diody v bipolárním IO 4. Extrakce základních statických parametrů pro obvodový model Teoretický úvod: Výkonová dioda P-i-N (R. N. Hall, 1952) je dle obr.1 tvořena nízkodotovanou bází vodivosti N umístěnou mezi relativně mělké silně dotované emitory P + a N +. Oblast vodivosti P slouží pro zvýšení průrazného napětí. Oboustranná injekce z emitorů P + a N + v sepnutém stavu příznivě moduluje vodivost báze N (viz křivka n = p) a přináší tak nízký odpor a tím i vysokou proudovou zatížitelnost typickou pro bipolární součástky. Nízkodotovaná báze spolu s hlubokou oblastí P přináší vysoké průrazné napětí. Kombinace těchto dvou předností umožňuje vytvářet výkonové diody s velmi vysokým průrazným napětím (až přes 10kV) a současně velmi vysokou mezní hodnotou propustného proudu (jednotky ka), které jsou u diod jiných konstrukcí, pracujících např. na bázi majoritních nositelů náboje (Schottkyho diody), nemyslitelné. Nevýhody: propustné (forward recovery) a závěrné zotavení (reverse recovery). Obr.1: řez strukturou výkonové diody P-i-N Při vypínání, tj. při přechodu ze sepnutého do nevodivého stavu, je nutné vyklidit nahromaděné nositele náboje (elektrony a díry). U diody se tento proces nazývá závěrné zotavení (reverse recovery) s ohledem na nutnost zotavit bázi diody od nahromaděného náboje (n = p) za účelem dosažení vysoké hodnoty elektrického odporu mezi anodou a katodou, která je atributem vypnutého stavu. Závěrné zotavení diody znamená komutaci napětí na původně propustně polarizované diodě protékanou proudem I F do závěrného směru připojením napětí U R opačné polarity. V závislosti na použitém elektrickém obvodu může tato komutace probíhat jako induktivní nebo odporové spínání. Při induktivním spínání dle obr.2a) je časová konstanta obvodu R/L mnohem větší než doba sepnutí spínače S. Obvykle nastává v obvodech s rychlým spínačem S a relativně velkou hodnotou indukčnosti L, která určuje strmost nárůstu proudu di/dt patrné z obr.3a). Strmost di/dt závisí na L a na napětí zdroje U R a je pro dané hodnoty konstantní (v literatuře najdete pod pojmem ramp recovery). Při odporovém spínání

Obr.3: Průběh proudu při závěrném zotavení diody při induktivním (a) a odporovém vypínání (b) dle obr.2b) je v obvodu přítomna jen relativně nízká hodnota parazitní sériové indukčnosti přívodů L s (100 až 200nH, praktický limit cca 5nH). Strmost poklesu proudu je určena spínačem S, který je pomalý (bipolární tranzistor, GTO tyristor nebo tranzistor IGBT) a hodnotou napětí U R. Výsledkem je obvykle exponenciální nárůst proudu (v literatuře naleznete pod pojmem step recovery) dle obr.3b). Spínač S si lze proto zjednodušeně představit jako exponenciálně závislý odpor. Proud (µa/µm) Obr.2: Obvod pro komutaci diody v režimu induktivního (a) a odporového (b) vypínání Parametry obvodového (kompaktního) modelu diody s p-n přechodem. 70 60 50 40 30 20 10 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Napětí (V) V-A charakteristika diody v lineárním měřítku a R S Proud (A/µm) oblast vlivu generačních oblast vlivu rekombin. proudů vysoká injekce proudů v OPN p-n přechodu v neutrální oblasti vliv sériového odporu 10-5 10-6 I=I S [exp(u/n.u T ) - 1] 10-7 N = 1 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 I S směrnice=e/kt=59mv/dekádu 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Napětí (V) v semilogaritmickém měřítku

Úkol na cvičení: 1) Přepsat přiložené vstupní soubory (stačí bez komentářů uvozených znaky $ nebo #) do textového souboru s extenzí.in, nahrát je do prostředí Deckbuild, odstranit syntatktické chyby vzniklé přepisem, po spuštění pečlivě zkontrolovat protokol o řešení vypisovaný ve spodním okně, popř. v souboru. 2) Vykreslit výsledky programem TonyPlot. Okótovat obr.1: souřadnice rohů struktury, přechodů P + -P, P-N, N- N +, povrchové koncentrace donorů a akceptorů. 3) Nasimulovat ss chování součástky, prohlédnout si rozložení koncentrace elektronů, děr, potenciálu, intenzity el. pole, proudových hustot, rekombinační rychlosti, apod. 4) Nasimulovat závěrné zotavení diody a prohlédnout si zejména dynamiku vyklízení elektron-děrové plazmy v souvislosti s křivkami napětí a proudu. Samostatný úkol: (výsledky tvoří 1/3 samostatné práce a předvádí se u zápočtu, proto si je pečlivě uschovejte) Napište a odlaďte vstupní soubor pro 2-D simulaci diody s přechodem p-n. Diodu uvažujte v planárně-epitaxní technologii podle obr. níže, tj. s anodovým a katodovým vývodem nahoře (y.min=0). Vstupní parametry: Tloušťka křemíkové desky 295µm, epitaxní vrstva tloušťky 5µm vodivosti typu N s měrným odporem 5 Ω.cm, dobou života τ n0 = τ p0 = 10µs. Ostatní parametry si zvolte sami (případné se poraďte s vyučujícím). C A N ++ P + 5µm N - epi (5Ω.cm, τ n0 =τ p0 =10µs) 300µm P - substrát Simulujte: 1) Gummel plot, tj. propustnou V-A charakteristiku ve tvaru log I A = f(u A ) @+25 o C pro U A = 0 1.0V 2) Závěrnou V-A charakteristiku I A = f(u A ) @ 125 o C až do kolena Určete : 1) Saturační proud IS (Saturation current). 2) Emisní koeficient přechodu N (Emission coefficient). 3) Sériový odpor RS (Ohmic resistance). 4) Průrazné napětí BV (Reverse Breakdown Voltage) a proud IB (Reverse Breakdown current) při tomto napětí pro T= +125 o C. Pozn.: Na výsledné elektrické parametry diody, jejichž hodnoty nejsou zadány (např. průrazné napětí), nejsou kladeny žádné nároky.

$ Úloha 1 $Statická simulace $ Dioda P-i-N options verbose $ Definice site mesh nx=2 ny=105 outfile=dmesh.str $ Ve směru x x.mesh n=1 l=0 x.mesh n=2 l=1 $ Ve smeru y y.mesh n=1 l=0 y.mesh n=50 l=100 r=1 y.mesh n=70 l=300 y.mesh n=105 l=370 r=1 $ Definice oblasti region num=1 silicon $ definice elektrod electrode num=1 name=anode top electrode num=2 name=cathode bottom $ Zadáni dotačního profilu $ 110 Ohm.cm - základní materiál doping uniform conc=3.8e13 n.type $ P+ emitor doping gauss conc=2.5e19 p.type junction=8 $ P difuze - zvyšuje průrazné napěti doping gauss conc=5e17 p.type junction=50 $ N+ emitor doping gauss conc=1e21 n.type junction=355 peak=370 $ Zadání modelu, teploty a poctu rovnic models conmob analytic fldmob auger bgn temp=293 srh numcarr=2 impact selb $ nastavení doby života pro SRH model na 10us material taun0=10e-6 taup0=10e-6 $ zadáni iteračního schema method autonr newton $ Termodynamická rovnováha - výpočet solve init $ Zadání souboru pro I-V charakteristiku log outf=pin.log master $ I-V charakteristika 0-0.8V - propustný směr solve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=0.8 elect=1 save outf=pin.str $ sdeleni programu, ze je konec zadavani prikazu a ma se spustit simulace quit

$ Úloha 2 $ Simulace diody v obvodu: zdroj proudu i1 + dioda $ tato úloha slouží pro spuštění úlohy 3.begin $ 100A current source i1 0 1 100 $ poloměr diody v mikrometrech set r=19e3 $ Plocha diody set A= $r*$r*3.1416 set width= $A/1 $ zadání simulované diody $ Soubor dmesh.str byl vytvořen již v úloze 1 adiode 0=cathode 1=anode width=$width infile=dmesh.str $ nastaveni počátečni hodnoty napěti v uzlu.nodeset v(1)=0 $ Zadání tolerance výpočtu, max. změny napěti v rámci jedné iterace, max. počtu iterací.numeric toldc=1e-6 vchange=.1 imaxdc=100 $ Způsob výpočtu.options m2ln relpot print debug $ Uložení výpočtu (n, p, potenciál,...).save outfile=dioda.str.end $ Zadání modelu, teploty a poctu rovnic models device=adiode conmob analytic fldmob auger bgn srh temp=383 numcarr=2 impact device=adiode selb $ nastavení doby života pro SRH model na 10us material taun0=10e-6 taup0=10e-6 $ sdeleni programu, ze je konec zadavani prikazu a ma se spustit simulace quit

$ Úloha 3 $ MIXED MODE SIMULATION - REVERSE RECOVERY $ Simulace dle obvodu z obr.2b.begin $ Zdroj napětí U R = -200V v1 1 0-200 $ Parazitní indukčnost přívodu L1 = 100nH l1 1 2 100e-9 $ Sériový odpor diody R1=0.2 mohm (v obr.2b neuveden - je součástí diody) r1 3 4 0.2m $ poloměr diody r set r=19e3 set A= $r*$r*3.1416 set width= $A/1 $ Soubor dmesh.str byl vytvořen již v úloze 1 adiode 4=anode 0=cathode width=$width infile=dmesh.str $ proudový zdroj I F : 100A do diody, zbytek do odporu (9A) i1 0 3 109 # initial value 23 Ohm, pulsed value 15e-2Ohm # rise delay 10ns, rise time constant 0.36us # fall delay 100us, fall time constant 10us r2 2 3 23 EXP 23 15e-2 10ns 0.36us 100us 10us # Natáhnu výsledky ss řešení pro 100A z úlohy 2.load infile=dioda.str # zadám výstupní soubor pro obvodové veličiny.log outfile=diomix # nastaveni počáteční ss hodnoty napětí v uzlech. V(4) jsem sizjistil v uloze 2..nodeset v(1)=-200 v(2)=-200 v(3)=0.7724 v(4)=0.7524 # zadám tolerance pro výpočet (vysvětlení hledejte v anglicky psaném manuálu # - leží u počítače).numeric toldc=1e-6 lte=0.001 vchange=100 imaxdc=100 imaxtr=15 # zadám možné způsoby výpočtu, teplotu,....options m2ln relpot debug tnom=383 loadsolutions write=100 # spouštím tranzientní analýzu.tran 1e-9 5us # uložím každé 100.řešení (write=100) jinak přeteče disk #.save outfile=last master=diode # konec zadání.end # specifikace modelu jednotlive modely vysvetleny na prednaskach models device=adiode fldmob conmob analytic auger bgn srh temp=383 numcarr=2 # model nárazové ionizace impact device=adiode selb $ nastaveni doby života na 10us material taun0=10e-6 taup0=10e-6 $ volba přesnosti výpočtu method clim.dd=1.e13 dvmax=1.e6 # Pokud nezadam quit, simulator nepozna, ze je konec zadavani a nezacne pocitat. quit