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 IF do závěrného směru připojením napětí UR 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 UR 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 Ls (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 UR. 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.
Obr.2: Obvod pro komutaci diody v režimu induktivního (a) a odporového (b) vypínání
Parametry obvodového (kompaktního) modelu diody s p-n přechodem. oblast vlivu rekombin. proudů vysoká injekce oblast vlivu generačních proudů v OPN p-n přechodu v neutrální oblasti vliv sériového odporu
70
-5
(A/µ m)
50 40 30 20 10 0 0.0
RS
0.2
0.4 0.6 Napětí (V)
0.8
V-A charakteristika diody v lineárním měřítku a
Proud
Proud
( µ A/µ m)
60
1.0
10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10-10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 10 -16 10 -17 10 -18 10 0.0
I=I S [exp(U/N.U T ) - 1]
N=1
IS
směrnice=e/kT=59mV/dekádu
0.2
0.4 0.6 Napětí (V)
0.8
v semilogaritmickém měřítku
1.0
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, NN+, 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 τn0 = τp0 = 10µs. Ostatní parametry si zvolte sami (případné se poraďte s vyučujícím). C
A
N++
P+
5µm
300µm
N - epi (5Ω.cm, τn0=τp0=10µs)
P - substrát
Simulujte: 1) Gummel plot, tj. propustnou V-A charakteristiku ve tvaru log IA = f(UA) @+25oC pro UA = 0 – 1.0V 2) Závěrnou V-A charakteristiku IA = f(UA) @ 125oC 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= +125oC. 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 UR = -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 IF: 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
