Учебное пособие 704
.pdf
|
|
|
Таблица 9 |
Мощность, рассеиваемая корпусом тиристора |
|||
|
|
|
|
|
Мощность, рассеиваемая корпусом |
||
Диаметр |
|
тиристора |
|
выпрямительного |
|
|
|
Штыревой |
|
Таблеточный |
|
элемента, dвэ, мм |
корпус |
|
корпус |
18 |
250 |
|
- |
|
|
|
|
20 |
- |
|
590 |
|
|
|
|
24 |
406 |
|
812 |
|
|
|
|
32 |
650 |
|
1182 |
|
|
|
|
Диаметр выпрямительного элемента выбирают так, чтобы мощность, рассеиваемая корпусом той или иной конструкции Ррас, была не менее Рос.ср, но и не более Ррас, заданной в задании. При выборе dвэ исходят также из минимальных затрат материала. Диаметр выпрямительного элемента должен быть из стандартного ряда. В рассматриваемом примере dвэ = = 2,4 см. Для выбранного диаметра выпрямительного элемента вычисляют активную площадь структуры тиристора по (36). Здесь же выбирают тип конструкции корпуса тиристора.
|
|
3,14 |
2 |
|
|
2 |
||
Sакт |
= 0,98 |
|
|
(2,4 − 2 0,19) |
− 0,2 |
= 2,8 |
см |
|
4 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Выбираем таблеточную конструкцию корпуса.
3.4.Расчет основных параметров тиристоров
1.Импульсное напряжение в открытом состоянии Uос.и определяют следующим образом. При выбранном dвэ и известном Sакт. рассчитываем плотность прямого тока, соответ-
31
ствующую току Iос.ср: jос.max= (πIoc.cp)/Sакт. Затем по зависимости jпр(Uпр) (см. рис. 7) определяем Uос.и= f (jос.max).
jос.max= (3,14·250)/2,8 = 280 А/см2, Uос.и= f (280) = 2 В.
2. Повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии:
Iобр,.п = Iзс.,п = |
π |
|
qni Wodвэ2 |
|
, |
(40) |
||
|
|
|
|
|
|
|||
8 |
|
τn1 |
(1− β |
n1 |
) |
|||
|
|
|
p |
|
|
|
|
где ni и τpn1 соответствуют температуре 125 оС, τpn1 Т3/2, а Wо и βn1 – анодному напряжению равному Uзс,п.
Толщина слоя объемного заряда Wо = Wоn1 + Wоp2, причем Won1 и Wоp2 вычисляются по формулам (12), (15) –(17) при Uзс = Uзс,п. Коэффициент переноса дырок через базу n1 также определяется при Uзс, = Uзс,п., используя формулы (12), (13), (26).
Won1 = 0,52 801600 =186 (мкм);
EM ≈ 2 1600 =1,72 105 (В/м);
186 10-4
W |
= |
1 |
ln |
12 8,85 10-14 1350 1,72 105 |
|
= 24 10−4 (см) = |
||
|
|
|||||||
op2 |
1350 |
|
|
-19 |
13 |
|
|
|
|
|
1,6 10 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
6 10 |
|
|
= 24 (мкм);
Wо = 186 + 24 = 210 мкм;
Wn1* = 290 - 186= 104 (мкм);
32
|
|
|
|
|
|
|
βn1 = |
|
1 |
|
= 0,75; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
104 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
ch |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
98 |
|
|
|
I |
обр,.п |
= I |
|
= |
3,14 |
|
1,6 10-19 6 1012 210 10-4 2,42 |
=10 10−3(А). |
||||
зс.,п |
|
18 10-6(1−0,75) |
||||||||||
|
|
8 |
|
|
3. Ударные токи в открытом состоянии. Из практики известно, что плотность ударного тока в открытом состоянии jос.удар меняется от 1,5 кА/см2 при WSi = 400 мкм до 1 кА/см2 при WSi = 800 мкм. Находим jос.удар, соответствующее рассчитанной по формуле (10) толщине кремниевой пластины, а за-
тем Iос.уд. = jос.уд.Sакт.
WSi = 490 мкм, jос.удар = 1,4 кА/см2, Iос.уд. = 1,4·.2,8 = 4 кА.
4. Время включения приближенно равно среднему геометрическому времени диффузии в n1 (t1) и p2 (t2) областях:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1t2 , |
(41) |
||
|
= |
(W |
)2 |
|
|
|
|
|
= |
(Wp2 )2 |
|
|
|
|
||||
где t1 |
n1 |
|
|
и t2 |
|
|
|
|
вычисляются при темпера- |
|||||||||
2Dp |
|
|
2Dn |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
туре 20 оС. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
140 10-4 |
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
t |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
=8,2 10-6с; |
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 12 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
58 10-4 2 |
|
||||||||
|
|
|
|
t |
|
= |
|
|
|
|
|
|
= 0,5 10-6 с; |
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
2 33 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t = 8,2 10-6 0,5 10-6 = 2 10-6 с. 33
5. Время выключения. Расчет времени выключения проводится при максимально допустимой температуре структуры 125 оС по следующей формуле
t |
|
= τn1 |
ln |
|
Q(t1 ) |
, |
(42) |
вык |
|
|
|||||
|
p |
|
Qкр. |
− Qнак. + Qj1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Q(t1) – избыточный заряд дырок в базе n1 в момент времени t1,
Q(t1) = βp2 (τn1p )2
Sакт.
|
dioc |
|
|
Ioc.cp |
|
|
− exp− |
||||
− |
|
|
1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
τp |
|
|
dt |
сп. |
|||
|
|
|
|
|
|
−
dioc |
−1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
; (43) |
|
|
|||
dt сп. |
|
|
||
|
|
|
|
|
Qкр. – критический заряд включения тиристора рассчитан ранее по (22);
Qнак. – избыточный заряд неравновесных носителей, накопленный в базах,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
dUзс |
Uзс |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Q |
нак |
= |
|
|
εε |
qN |
n1 |
τ |
н |
|
|
F |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
τн |
|||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dU |
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
зс |
|
|
; |
(44) |
|
|
|
|
|
||||
|
dt |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Qj1 – заряд обедненной области перехода j1 при обратном напряжении, прикладываемом к тиристору в процессе выключения,
|
|
|
qNn1Won (U |
|
) |
|
dUзс |
|
|
Uобр |
dUзс |
−1 |
|
|
|
|||||
|
|
|
обр |
n1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Q |
j1 |
= |
|
|
|
τ |
p |
|
|
|
1 |
− exp− |
|
|
|
|
|
|
|
.(45) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
Uобр |
|
|
|
|
dt |
|
|
|
τp |
|
dt |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кр |
|
кр |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34
Скорость спада тока в открытом состоянии принимается
|
|
|
|
|
|
di |
oc |
|
для отечественных тиристоров − |
|
= 5 А/мкс в выраже- |
||||||
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
dt |
сп. |
|
нии |
|
(43). В формуле (44) для |
отечественных тиристоров |
|||||
dU |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зс |
|
= 200 В/мкс. В формуле (45) Uобр – обратное напряже- |
||||
|
|
|||||||
|
dt |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ние, прикладываемое к тиристору в процессе выключения, для отечественных тиристоров Uобр = 100 В. Won(Uобр) и τpn1 в (47) вычисляются при Uзс = Uобр по формулам (12), (8), (9).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-6 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
|
|
2 |
|||
Q(t |
|
) = |
0,79 (18 10 |
|
) |
|
5 106 |
1− exp − |
250 |
|
(5 106 ) |
|
|
|
= 4,3 10-4 |
Кл/м ; |
|||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
-6 |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
18 10 |
|
. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Qкр = 1,6·10-7 Кл/см2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Q |
|
|
|
|
= |
|
|
3,14 |
|
12 8,85 10 -14 1,6 10 -19 6,6 1013 4,7 10 -6 200 10 6 |
|||||||||||||||||||||||
нак |
|
|
2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1072 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
F |
|
|
|
|
|
(200 10 6 ) |
|
|
= 1,25 10 −7 Кл/м 2 ; |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
-6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
4,7 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Q |
|
= |
1,6 10-19 6,6 1013 46,5 10-4 |
3,6 10-6 1000 106 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
j1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
1 |
− exp |
|
|
− |
|
|
(1000 106) |
|
= 4,8 10-8Кл/м2; |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,6 10--6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
= |
18 ln |
|
|
|
4,3 10-4 |
|
|
|
=152 мкс. |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
вык |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,6 10-7 −1,2 10-7 + 4,8 10-8 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров [Текст] / П. Тейлор. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 208 с.
2 Евсеев Ю.А Силовые полупроводниковые приборы [Текст]: учебник для техникумов / Ю.А. Евсеев, П.Г. Дерменжи. - М.: Энергоиздат, 1981. - 472 с.
3 Крутякова М.Г. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования [Текст]: учебник для техникумов / М.Г. Крутякова, Н.А. Чарыков, В.В. Юдин. - М.: Радио и связь, 1983.- 352 с.
4 Зи С. Физика полупроводниковых приборов [Текст]: в 2-х кн.: пер. с англ. / С. Зи. - М.: Мир, 1984.
5 Герлах В. Тиристоры [Текст] / В. Герлах. - М.: Энергоатомиздат, 1985. 328 с.
6 Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры [Текст]: справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. - М.: Радио и связь, 1988. - 576 с.
36
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П
Некоторые физические постоянные
Постоянная Больцмана |
|
|
k = 1,38 10-23 Дж/К = |
|
=8,62 10-5 эВ/К |
Диэлектрическая проницаемость |
|
свободного пространства |
ε0 = 8,854 10-12 Ф/м = |
|
= 8,854 10-14 Ф/см |
Диэлектрическая проницаемость |
|
кремния |
ε = 12 |
|
|
Заряд электрона |
|
|
q = 1,602 10-19 Кл |
Коэффициент диффузии |
|
электронов |
|
при температуре 20 оС |
Dn = 33 см2/ |
при температуре 125 оС |
Dn = 22 см2/с |
|
|
Коэффициент диффузии дырок |
|
при температуре 20 оС |
Dp = 12 см2/с |
при температуре 125 оС |
Dp = 8 см2/с |
|
|
Собственная концентрация но- |
|
сителей в кремнии |
|
при температуре 20 оС |
ni = 1,9 1010 cм –3 |
при температуре 125 оС |
ni = 6 1012 cм –3 |
|
|
1 мкм = 1 10-6 м = 1 10-4 см |
|
37
|
Оглавление |
|
Введение…………………………………………………… |
3 |
|
1. |
Основные разделы курсовой работы …………………. |
3 |
2. |
Порядок выполнения курсовой работы и защиты …... |
4 |
3. |
Расчет дискретного силового тиристора …………….. |
5 |
|
3.1. Выбор исходного материала …………………….. |
7 |
|
3.2. Расчет параметров конструкции ………………… |
10 |
3.3.Расчет диаметра тиристорного элемента и выбор конструкции корпуса …………………………….. 23
3.4. Расчет основных параметров тиристора ………... |
31 |
Библиографический список ……………………………... |
36 |
Приложение. Некоторые физически постоянные ……… |
37 |
РАСЧЕТ СИЛОВОГО ТИРИСТОРА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для выполнения курсовых работ
по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов направления
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»)
очной формы обучения
Редактор Аграновская Н.Н.
Составитель: Свистова Тамара Витальевна
Подписано к изданию 30. 05.2019 Уч.-изд. л. 2,37.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14
38