Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ конструкции высоковольтного ограничителя напряжения и постановка задачи на моделирование 15
1.1. Методы защиты силовых полупроводниковых приборов от перенапряжений 15
1.2. Конструкция и физические основы работы высоковольтного ограничителя напряжения 19
1.2.1. Конструкция высоковольтного ограничителя напряжения 19
1.2.2. Основные сведения о лавинном пробое р-п-переходов 24
1.2.3. Свойства кремния, используемого при производстве ОНС 28
1.3. Методы и проблемы численного моделирования полупроводниковых приборов 30
1.4. Выводы и постановка задачи 33
ГЛАВА II. Разработка математической модели высоко вольтного импульсного ограничителя напряжения 3 6
2.1. Основные уравнения для моделирования силовых полупроводниковых приборов 36
2.2. Моделируемая структура ОНС. Краевые условия 40
2.2.1. Геометрия моделируемой структуры ОНС 40
2.2.2. Омические контакты 45
2.2.3. Тепловые свойства моделируемой структуры ОНС 46
2.3. Диффузионные профили распределения концентрации легирующей примеси в моделируемой структуре ОНС 48
2.4. Аппроксимация моделируемой структуры ОНС сеткой 51
2.5. Модели физических эффектов, определяющих поведение электрических характеристик ОНС 53
2.5.1. Ширина запрещенной зоны и собственная концентрация свободных носителей заряда 53
2.5.2. Лавинная генерация носителей заряда 55
2.5.3. Подвижность носителей заряда 57
2.5.4. Рекомбинация носителей заряда 59
2.6. Учет параметров внешней электрической схемы при моделировании высоковольтного импульсного ограничителя напряжения 61
2.7. Начальные условия при моделировании 63
2.8. Выводы 64
ГЛАВА III. Моделирование, оптимизация и разработка конструкции высоковольтного импульсного ограничителя напряжения 66
3.1. Исходные параметры моделируемой структуры ОНС 66
3.2. Расчет параметров лавинообразования ОНС 68
3.3. Моделирование вольтамперной характеристики ОНС 75
3.4. Моделирование динамической характеристики ОНС 80
3.5. Исследование влияния инжекции носителей заряда прямосмещенным р-п-переходом на электрические параметры ОНС 82
3.6. Моделирование нестационарных тепловых процессов в ОНС 87
3.7. Исследование распределения напряженности электрического
поля на поверхности p-n-переходов ОНС 90
3.8. Разработка конструкции высоковольтного импульсного ограничителя напряжения с низким значением динамического сопротивления и увеличенным значением максимальной рассеиваемой энергии лавинообразования 93
3.9. Результаты моделирования и экспериментальных исследований разработанных конструкций высоковольтного импульсного ограничителя напряжения 100
3.10. Выводы 105
Заключение 107
Библиографический список литературы
- Конструкция и физические основы работы высоковольтного ограничителя напряжения
- Геометрия моделируемой структуры ОНС
- Модели физических эффектов, определяющих поведение электрических характеристик ОНС
- Исследование влияния инжекции носителей заряда прямосмещенным р-п-переходом на электрические параметры ОНС
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие геологоразведочных работ и освоение крупных россыпных месторождений золота в Монголии существенно влияет на создание, поддержку и развитие инфраструктуры, занятость населения. В этом плане продление срока действия горнодобывающих предприятий, на основе оценки ресурсов, в пределах крупных горных отводов, с действующими предприятиями остро необходимо и актуально. Новые данные о металл оносности комплекса отвальных пород промышленной россыпи Заамар в долине р. Туул-гол, полученные группой российских и монгольских геологов в 1999-2001 гг наметили принципиальную золотоносность гале-эфельных отвалов и вскрышных пород эксплуатируемой россыпи на основе новой, разработанной в МГГРУ ( МГРИ имени С.Орджоникидзе) методики, внедренной на ряде россыпей России и зарубежья. Крупные объемы перемещенной и переработанной на россыпное золото горной массы имеющей разнообразный состав, включающий пески, глины, щебенку, гальку, делает отвалы комплексным, в разный степени дифференцированным, потенциальным сырьем не только для добычи золота но и для попутного получения нерудного сырья. Актуальность комплексного подхода к изучению отвалов коррелируется с государственной программой Монголии по строительству современных автострад в программе «Дорога тысячелетия» и необходимостью комплексного подхода к изучению сырья извлекаемого из недр.
Настоящая работа актуальна и в том смысле, что детальное изучение особенностей основного полезного компонента россыпи шлихового золота с использованием методики детальной гранулометрии и морфоскопии, позволяет установить технологические особенности драгоценного металла, приводящие к его попаданию в хвосты обработки проб при ГРР и отвалы при добыче. Это способствует разработке и внедрению новых технологий и схем обработки геологоразведочных проб и рекомендовать схемы доизвлечения металла в процессе отработки россыпи и переработки на золото комплекса отвальных пород. Цель работы - научное обоснование возможности промышленной оценки отвальных пород россыпи Заамар для вовлечения их в повторную комплексную отработку на золото и нерудное сырье для продления срока действия крупного золотодобывающего предприятия вносящего серьезный вклад в золотовалютные резервы страны и дальнейшее развития региона. Для достижения указанных целей в работе решались следующие задачи:
1. Установление особенностей россыпного золота, в том числе мелкого и тонкого золота, которое сносится в хвосты обработки разведочных проб и отвалы при дражной отработке;
2. Определение реальных содержаний шлихового золота и его уровней в торфах, гале-эфельных отвалах и глинистом плотике на основе новой методики обработки проб и изучения детального гранулярного состава металла.
3. Анализ и оценка объемов комплекса отвальных пород как потенциально сырья для получения золота и нерудных полезных ископаемых (пески, щебенка, глины)
4. Адаптация новой методики обработки разведочных проб применительно к особенностям литологического состава рыхлых осадочных пород долины реки Туул-гол и внедрение ее для опробования песков и техногенных отвалов россыпи Заамар.
5. Прогнозная оценка ресурсов шлихового золота в отвалах и нерудного сырья для комплексного их освоения.
6. Разработка рекомендаций по обработке проб разведочного и оперативного опробования на золото полигона с отвальным комплексом пород.
Фактический материал диссертации получен в ходе эксплуатационной разведки на двух участках россыпи Заамар, «Северном» и «Южном», при доразведке флангов россыпи, контрольного и экспериментального опробования гале-эфельных отвалов, перемещенных торфов и приисковых работ за период с 1995 по 2004 год.
Детально изучено более 150 проб, проведено более 100 ситовых анализов, 150 определений содержания золота по пробам объемом 20-40 литров каждая, по 60 пробам проведены измерения массива золотин под микроскопом, сделано 250 зарисовок форм золотин. Определен состав золота и элементы примеси в нем энергодисперсионным электронно-микроскопическом методом для золотин из 60 проб. Проведен анализ объемов перемещенных в ходе отработки россыпи торфов, гале-эфельных отвалов, а также объемов песков, глин, и щебнисто-галечного материала. В процессе исследований проведено измерение 3965 золотин под микроскопом, что в сумме составляет 11895 измерений.
В работе учтены фондовые и опубликованные ранее материалы по геологии и разведке россыпных и рудных месторождений района, а также материалы СО «Монголросцветмет», «Зарубежгеологии» МГ СССР, и КОО «Шижир-Алт».
Конструкция и физические основы работы высоковольтного ограничителя напряжения
Высоковольтный ограничитель напряжения имеет диффузионную р-п-р-структуру (рис. 1.2). Для защиты от поверхностного пробоя снимается двухступенчатая (прямая и обратная) фаска, на которую наносится защитное покрытие ЛОСК-О. Верхний контакт к полупроводниковой структуре ОНС создается напылением алюминия. Нижним контактом служит молибденовый термокомпенсатор (ТСМ), сплавляемый с кремниевой пластиной с помощью силумина.
Рис. 1.2. Конструкция рабочего элемента ОНС (толщина кремниевой пластины для наглядности увеличена)
Рабочий элемент ОНС может монтироваться либо в корпус таблеточной конструкции, либо в корпус штыревой конструкции (с гибким или жестким выводом) в зависимости от метода крепления ограничителя напряжения и необходимого отвода тепла.
Вольтамперная характеристика ОНС с указанием принятых в работе обозначений приведена на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Вольтамперная характеристика ОНС с указанием принятых в работе обозначений (UBR - напряжение лавинообразования; UBRSM — максимально допустимое импульсное напряжение ограничения; IR — импульсный лавинный ток; IRSM — максимально допустимый импульсный лавинный ток)
За счет такой его вольтамперной характеристики можно достаточно просто и эффективно решать задачи защиты различных силовых полупроводниковых приборов от перенапряжений. Для этого ОНС включается параллельно защищаемому СПП, то есть при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого им полупроводникового прибора. Пока напряжение на нем меньше, чем UBR его динамическое сопротивление велико, и он не влияет на работу защищаемого СПП. После того, как напряжение на ОНС превысит UBR, в его обратносмещённом р-п переходе начинается лавинный пробой. Величина его динамического сопротивления резко падает, через него начинает протекать импульсный лавинный ток (IR), и он стабилизирует напряжение на защищаемом СГШ на уровне UBR, рассеивая поглощенную энергию импульса перенапряжения в виде тепла. ОНС практически безынерционен, поэтому после гашения импульса перенапряжения его динамическое сопротивление вновь становится большим.
Для исследования вольтамперных характеристик ОНС используется специальная установка, электрическая схема которой приведена на рис. 1.4. Кратко поясним ее работу.
В начальный момент времени тиристор VS1 закрыт и конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника напряжения El (U UBR). После включения тиристора VS1 конденсатор С1 начинает разряжаться через индуктивность L1 и последовательно включенный с ним ограничитель напряжения VD2. Так как конденсатор С1 и индуктивность L1 образуют колебательный контур, форма протекающего через ОНС разрядного тока близка к синусоидальной. Диод VD1 предназначен для отсекания обратной полуволны тока, возникающей в схеме из-за переходных процессов.
В начальный момент времени через IGBT-модуль VT1 и индуктивность L1 протекает ток с амплитудным значением до 750 А. В результате выключения IGBT-модуля (tf=0,2 мкс) ток начинает протекать через R-C цепочку Rl, С2. После того, как напряжение на R-C цепочке и параллельно включенном с ним ограничителе напряжения VD1 достигнет величины UBR, через ограничитель напряжения начнет протекать импульсный ток, форма которого определяется величиной энергии, запасенной в индуктивности L1. Конденсатор С1 служит для компенсации влияния паразитной индуктивности подводящих проводов источника питания Е1 на электрические параметры схемы.
Геометрия моделируемой структуры ОНС
Моделирование электрических характеристик ОНС имеет ряд особенностей. Практически все они связаны с его полупроводниковой структурой. Рассмотрим эти особенности подробнее.
Полупроводниковая структура ОНС (рис. 2.1) имеет два р-п-перехода, каждый из которых может работать в режиме лавинного пробоя, либо в режиме прямого смещения в зависимости от полярности напряжения, прикладываемого к структуре. Поверхностный пробой устраняется двухступенчатой фаской (прямой и обратной). Такую полупроводниковую структуру ОНС в идеальном случае можно рассматривать как симметричный p-n-p-транзистор с оборванной базой.
В работах Корну [67, 68], Ваковского и Лундстрема [69] было обнаружено, что при выходе р-п-перехода на поверхность под отрицательным углом (прямая фаска) существует электрическое поле непосредственно под поверхностью фаски, причем его значение больше, чем на поверхности и в объеме. В результате может быть такая ситуация, что угол прямой фаски достаточен, чтобы предотвратить поверхностный пробой, но пробой может наступить под поверхностью, где электрическое поле достигает максимума. Это обуславливает необходимость использования при моделировании ОНС его неодномерной моделируемой структуры.
Большое значение при лавинном пробое р-п-перехода имеет эффект накопления электрических зарядов на поверхности полупроводниковой структуры, особенно положительных, поскольку их присутствие ведет к снижению напряжения пробоя р-п-перехода, выходящего на фаску. Типичное значение общей плотности положительного заряда поверхностных состояний лежит в области 2-10"9 -2-10"7 Кл-см"2 и сильно зависит от ориентации кристалла и технологии обработки поверхности кремния [70].
Немаловажное влияние на лавинный пробой р-п-перехода на поверхности оказывают свойства диэлектрика, используемого для пассивации поверхности прибора на фаске. Как показано в работах [68, 71], его наличие способствует снижению максимальной напряженности электрического поля на поверхности фаски и, как следствию этого, ухудшению условий для возникновения поверхностного пробоя.
Таким образом, с учетом всех рассмотренных выше особенностей функционирования ОНС, его моделируемая структура должна быть неодномерной, включать в себя диэлектрический материал защитного покрытия фаски и поверхностный заряд на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Для правильного учета отводимого от полупроводниковой структуры ОНС тепла в моделируемую структуру необходимо ввести термокомпенсатор.
Как видно из рис. 1.2 конструкция ОНС имеет осевую симметрию. Поэтому для расчета электрических характеристик ОНС будет достаточным использования его двухмерной моделируемой структуры, приведенной на рис. 2.2. Моделирование такой структуры возможно в радиально-симметричном приближении. Она содержит область кремния (Si), область диэлектрика (Insulator) и область металла (Мо). Величина диэлектрической проницаемости защитного покрытия фаски составляет 3-И [72]. На границе раздела кремний-диэлектрик (на линии BCDE) задается поверхностная плотность заряда Qs=5-10"8 Кл-см"2 [73]. Для нее справедливы следующие условия: V/+=vT, (2.21) es0N V\j/+ - SJSQN V\/ = -Qs, (2.22) Jn-N = 0, Jp-N = 0, (2.23) где є, Єї — диэлектрическая проницаемость кремния и диэлектрика, соответственно; \\)+, Vvj/+ — предельные значения электростатического потенциала и его градиента со стороны кремния; ц/ , Vi/ - предельные значения электростатического потенциала и его градиента со стороны диэлектрика; Jn, Jp — вектора электрической плотности тока электронов и дырок, соответственно; N - единичный вектор внешней нормали, направленный от поверхности раздела.
Модели физических эффектов, определяющих поведение электрических характеристик ОНС
При моделировании полупроводниковых приборов наиболее важными параметрами полупроводникового материала являются ширина запрещенной зоны и собственная концентрация свободных носителей заряда.
Изменение ширины запрещенной зоны собственного кремния с изменением температуры выражается функцией [36]: ссТ2 Ее(Т) = Е„(0)— -, (2.48) 8 gW (Т + Р) где Т - температура кристаллической решетки, Eg(0) - ширина запрещенной зоны при О К, равная по результатам работ Слотбума [83-85] 1,1648 эВ; а и Р - параметры термического сужения запрещенной зоны, равные 4,73x10"4 эВ/К и 636 К, соответственно. Изменение ширины запрещенной зоны с температурой одинаково распределяется между зоной проводимости и валентной зоной.
Собственная концентрация свободных носителей заряда п;(Т) в монокристаллическом нелегированном кремнии определяется выражением [86]: Eg(T) ПІ (Т) = VNC(T)NV(T) е 2kT . (2.49)
Если рассматривать возможное сужение ширины запрещенной зоны, то эффективная собственная концентрация определяется следующим выражением [16]: %_ 2kT (2.50) ( ДО ni)eff=niexp Эффективная плотность состояний в зоне проводимости Nc (см"3) определяется выражением [79]: з з Nc(me,Te) = 2,540933-1019 . 2[i-]2, (2.51) X J Vmo/ 1,300 где т0 — масса покоя электрона; Те — температура электронов; те — электронная эффективная масса плотности состояний, определяемая из выражения [79]: me = 62/3(m2mi)V3+mm, (2.52) где mm - параметр, позволяющий определить те как величину независящую от температуры, он полагается равным нулю; т, - продольная эффективная масса (вдоль оси симметрии); mt - поперечная эффективная масса (в направлении, перпендикулярном этой оси), зависящая от температуры.
Компонента электронной эффективной массы плотности состояний mt(T) в кремнии хорошо описывается температурной зависимостью ширины запрещенной зоны [86]: m Е.(Т) = аЗД, (2.53) О g где а = 0,1905. Эффективная плотность состояний в валентной зоне Nv (см") определяется выражением [79]: 2 з Nv(mh,Th) = 2,540933-1019. 2Г_5 (2.54) где Th - температура дырок; mh - эффективная масса плотности состояний дырок, определяемая из выражения [87]: mh(T) = m0 a + bT + cT2+dT3 + eT4V -4 + mm, (2.55) l + fT + gT+iiP + ir где mm - параметр, позволяющий определить mh как величину независящую от температуры, он полагается равным нулю; а, Ь, с, d, е, f, g, h, і -температурные параметры. Их численные значения взяты из работы [87].
При моделировании лавинной генерации носителей заряда полагается, что процесс ударной ионизации атомов кремния происходит достаточно однородно по площади полупроводниковой структуры ОНС (см. параграф 1.2.2 и 1.2.3). Модель лавинной генерации описывает два происходящих одновременно процесса:
а) электронная эмиссия: электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, получив энергию от электрона из зоны проводимости, оставляя при этом дырку в валентной зоне;
б) дырочная эмиссия: электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, получив энергию от дырки из валентной зоны. У края валентной зоны остается дырка.
Полная скорость лавинной генерации носителей заряда описывается выражением [10]: G = annvn+appvp, (2.56) где vn, vp — дрейфовая скорость электронов и дырок, соответственно.
Коэффициенты ударной ионизации для электронов и дырок, an и сср, рассчитываются по модели ван Оверстратена — де Мана [31], описываемой формулой (1.5). Составляющая напряженности электрического поля Е в этой модели рассчитывается как величина градиента квазиуровня Ферми: E = Vqyp. (2.57)
Приближенный анализ лавинного пробоя p-n-перехода ОНС проводится вычислением только уравнения Пуассона (2.2) и ионизационных интегралов для электронов и дырок в предположении постоянства квазиуровней Ферми в области пространственного заряда ОНС.
Исследование влияния инжекции носителей заряда прямосмещенным р-п-переходом на электрические параметры ОНС
О том, что инжекция носителей заряда прямосмещенным р-п-переходом влияет на лавинообразование в полупроводниковых приборах известно достаточно давно [24]. Однако оценка ее влияния на электрические параметры ОНС ни в одной из ранее существующих работ не проводилась. Ниже представлены некоторые результаты моделирования рассматриваемого ограничителя напряжения, которые важны для понимания физики его работы. Задача рассматривалась в предположении справедливости статистики Больцмана для носителей заряда. При расчете электростатический потенциал нижнего контакта к моделируемой структуре ОНС (линия НК на рис. 2.2) полагался равным нулю. Таким образом, верхний p-n-переход ОНС находился под прямым смещением, а нижний -под обратным. Моделирование проводилось в схеме рис. 2.6 с использованием источника линейно нарастающего напряжения Es. Параметры моделируемой структуры соответствовали рис. 3.1 и таблице 3.1. Результаты расчета зависимости динамического сопротивления ОНС в режиме лавинообразования от величины лавинного тока приведены на рис. 3.13 (кривая 1).
Для оценки влияния инжекции носителей заряда прямосмещенным р-п-переходом (в рассматриваемом случае это верхний p-n-переход) верхний р-слой у ОНС был удален. Для того чтобы геометрические размеры n-базы у такого ОНС остались неизменными, в его структуру был введен п+-слой, как схематично показано на рис. 3.14. При этом величина поверхностной концентрации и распределение легирующей примеси в нем соответствовали параметрам удаленного р-слоя. Результаты расчета зависимости динамического сопротивления от величины лавинного тока в ограничителе напряжения с удаленным верхним р-слоем приведены на рис. 3.13 (кривая 2).
Динамическое сопротивление в обоих случаях рассчитывалось для каждой точки вольтамперной характеристики ОНС по формуле: Для построения вольтамперных характеристик ОНС использовался источник линейно нарастающего напряжения Es (см. рис. 2.6) с амплитудным значением 2000 В и скоростью нарастания напряжения 2000 В/мкс.
Из зависимостей, представленных на рис. 3.13, видно, что инжекция носителей заряда прямосмещенным p-n-переходом уменьшает динамическое сопротивление ОНС RQ. Понять качественно причину снижения RD позволяет рис. 3.15, где представлено распределение концентрации инжектированных носителей заряда по структуре ОНС для разных величин плотностей лавинных токов.
Из рис. 3.15 видно, что при величине плотности лавинного тока менее 25 А/см концентрация дырок, инжектированных прямосмещенным р-п-переходом в области пространственного заряда обратносмещенного р-п-перехода мала. Поэтому они не оказывают существенного воздействия на процесс лавинообразования в ОНС, и его динамическое сопротивление растет. Начиная с величины плотности тока более 25 А/см2 концентрация дырок, инжектированных прямосмещенным р-п-переходом, в области пространственного заряда обратносмещенного p-n-перехода становится уже существенной. Процесс лавинообразования начинает протекать с участием инжектированных дырок, и динамическое сопротивление ОНС уменьшается (кривая 1 на рис. 3.13). Следует заметить, что динамическое сопротивление
ОНС RD с удаленным верхним р-слоем при JR 200 А/см также уменьшается. Однако причиной этого является процесс ударной ионизации п+-п-перехода.
При величине плотности тока JR 500 А/см процесс лавинообразования в ОНС становится неустойчивым и сопровождается шнурованием тока. Работа ограничителя напряжения в таком режиме недопустима, так как из-за выделения в приборе недопустимо большой тепловой мощности может произойти его выход из строя.
Двухмерная картина распределения плотности лавинного тока по полупроводниковой структуре ОНС в момент образования токового шнура показана на рис. 3.16. Теоретическое обоснование этого явления дано в [104].
