Применение радиационно технологических процессов для улучшения электрических параметров силовых кремниевых диодов ( полупроводник )

В данной дипломной работе проведено экспериментальное исследование влияния облучения высокоэнергетическими электронами и термического отжига на электрические параметры силовых кремниевых диодов Д112-10-11.
В ходе эксперимента выявлены физические закономерности изменения времени восстановления обратного сопротивления, прямого падения напряжения, напряжения пробоя, барьерной емкости от потока высокоэнергетических электронов и последующего термического отжига, которые использованы при оптимизации режимов радиационно-технологического процесса (РТП) для получения силовых кремниевых диодов с принципиально новым сочетанием параметров.
Показана экономическая эффективность внедрения радиационно-технологического процесса в технологию изготовления кремниевых диодов Д112-10-11.
Дипломная работа излож ...

Введение 7
1 Аналитический обзор литературы 8
1.1 Общие свойства и параметры силовых выпрямительных диодов 8
1.1.1 Непроводящее состояние силового диода 8
1.1.2 Вольт-амперная характеристика 10
1.1.3 Статические параметры 11
1.1.4 Динамические характеристики 12
1.1.4.1 Переходные процессы 13
1.1.5 Предельно допустимые значения 17
1.2 Радиационно-технологичекий процесс 18
1.2.1 Взаимодействие электронов с веществом 19
1.2.2 Механизмы образования и физическая природа радиационных центров 21
1.2.3 Изменение основных электрофизических параметров при облучении 23
1.2.3.1 Время жизни неосновных носителей заряда 24
1.2.3.2 Концентрация, удельное сопротивление и подвижность 25
1.3 Термостабильность и кинетика отжига радиационных центров 28
1.4 Влияние облучения на основные параметры диодов 32
2 Экспериментальная часть 39
2.1 Методика и оборудование радиационной обработки высокоэнергетическими электронами и термического отжига 39
2.2 Аппаратура для измерения статических параметров диодов 45
2.2.1 Измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2-56 45
2.2.2 Измеритель статических параметров мощных транзисторов и диодов Л2-69 47
2.2.3 Измеритель емкости диодных структур ИЕ – 95 49
2.2.4 Установка измерения времени восстановления обратного сопротивления 50
2.3 Характеристика объекта исследования 52
2.4 Экспериментальные результаты 53
2.5 Выводы по экспериментальной части 61
3 Безопасность жизнедеятельности 63
3.1 Идентификация опасных и вредных производственных факторов 63
3.2 Характеристика используемых веществ и материалов 66
3.2.1 Физические и химические характеристики 66
3.2.2 Характеристики токсичности 66
3.3 Санитарно-технические требования 67
3.3.1 Требования к планировке помещения 67
3.3.2 Требования к микроклимату помещения 67
3.3.3 Требования к освещению лаборатории 68
3.4 Требования безопасности при устройстве и эксплуатации коммуникаций 70
3.5 Разработка мер защиты от опасных и вредных производственных факторов 70
3.6 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях 71
3.7 Специальные разработки по обеспечению безопасности 73
3.7.1 Расчет защитного зануления 73
3.8 Выводы по разделу безопасности жизнедеятельности 76
4.1 Меры по охране окружающей среды 78
4.2 Выводы по разделу охрана окружающей среды 79
5 Экономическая часть 80
5.1 Технико-экономическое обоснование научно-исследовательской работы 80
5.2 Смета затрат на проведение исследований 81
5.2.1 Расчёт затрат на сырьё и материалы 81
5.2.2 Расчет затрат на оплату труда исполнителей 82
5.2.3 Расчёт энергетических затрат 84
5.2.4 Расчёт затрат на амортизацию оборудования 85
5.2.5 Расчет накладных расходов 87
5.2.6 Расчет суммарных затрат на выполнение НИР 87
5.3 Экономическая оценка результатов дипломной НИР 88
5.4 Выводы по экономической части 90
Выводы 91
Список использованных источников 92

Требования разработчиков силовой преобразовательной техники к параметрам используемых в схемах полупроводниковых приборов постоянно возрастают, особенно – в части повышения импульсно-частотных характеристик, снижения рассеиваемой мощности, повышения электропрочности и надежности.

При отжиге все параметры приборов испытывают обратные изменения, т.е. значение прямого падения напряжения уменьшается, а значение времени обратного восстановления возрастает.2 Экспериментальная часть2.1 Методика и оборудование радиационной обработки высокоэнергетическими электронами и термического отжига Операция радиационной обработки исследуемых диодов и транзисторов проводилась на линейном ускорителе электронов “Электроника” ЭЛУ-6. Блок-схема ускорителя ЭЛУ-6 показана на рисунке 14. 1 – пульт управления; 2 – стабилизированный выпрямитель; 3 – электронная пушка; 4 – волновод; 5 – генератор; 6 – генераторный блок; 7 – импульсный модулятор; 8 – высоковольтный выпрямитель; 9 – выпускное окно; 10 – система развертки; 11 – датчик тока; 12 – стойка питания; 13 – магниторазрядные насосы; 14 – фокусирующий соленоид; 15 – направление движения ускоряемых электронов.Рисунок 14 Блок-схема ускорителя ЭЛУ-6Принцип действия ускорителя состоит в следующем. Электромагнитные колебания СВЧ диапазона создаются генератором, к выходу которого присоединен тракт, передающий мощность в диафрагмированный волновод. Генератор работает в импульсном режиме, т.к. для создания нужной напряженности ускоряющего поля мощность генератора должна быть значительной. В качестве генераторов используются мощные импульсные магнетроны или клистроны. Анодное напряжение на генератор подается короткими импульсами длительностью до 5 мкс с заданной частотой посылок. Одновременно напряжение подается и на инжектор, вводящий электроны в ускоряющий диафрагмированный волновод. В результате взаимодействия пучка электронов, создаваемого инжектором, с ускоряющей электромагнитной волной СВЧ диапазона на выходе волновода получаются импульсы ускоренных электронов с такой же частотой и примерно такой же длительности, как и импульсы анодного напряжения. Управление работой ускорителя производится дистанционно из помещения, отделенного биологической защитой от излучения. Ускоритель обеспечивает непрерывную работу в течение 150 часов с последующим перерывом на 1 смену для проведения профилактики. Технические характеристики ускорителя “Электроника ЭЛУ-6” приведены в таблице 1.Таблица 1 Основные технические характеристики ускорителя “Электроника ЭЛУ-6”Наименование параметраЗначение параметраСредняя энергия ускоренных электронов, МэВ6Ток пучка в импульсе, номинальный, А0,6Пределы регулировки тока пучка, А0 0,6Ширина энергетического спектра, не более5Длительность импульсов тока, мкс1 5Частота следования импульсов тока, Гц250Пределы регулирования частоты следования импульсов тока, Гц0 250Диаметр пучка электронов в плоскости выходного окна, мм5Средний ток пучка, мкА500Питание от трехфазной сети 220/380 В, частота, Гц50Мощность, потребляемая от сети, кВт50Ускоряющее поле имеет максимальное значение в приосевой области волновода и поэтому обычно используют фокусирующее продольное магнитное поле, заставляющее частицы двигаться вблизи оси для получения максимального ускоряющего эффекта и устранения потерь частиц на стенках ускоряющих секций. В результате на выходном окне ускорителя пучок ускоренных электронов остросфокусирован (диаметр 10 мм) и имеет высокую плотность (1016 1017) см-2с-1. Для создания рабочей зоны облучения с плотностью пучка 1012 см-2с-1 необходимо резко увеличить площадь поперечного сечения пучка.Наиболее простым и широко распространенным методом формирования рабочей зоны облучения является рассеяние пучка на слое воздуха между выходным окном ускорителя и объектом облучения. Физическая суть явления состоит в том, что при прохождении пучка через слой воздуха происходит многократное рассеяние электронов, в результате которого сильно увеличивается поперечное сечение пучка и, соответственно, снижается его плотность. Рассеяние пучка электронов при прохождении сквозь воздух сопровождается снижением их средней энергии. Для исходного пучка электронов с E = 5 МэВ и средним током 100 мкА (у выходного окна ускорителя) потери энергии на столкновения и тормозное излучение на слое воздуха 10, 20, 30, 50, 70 и 100 см составляют соответственно 0,086; 0,172; 0,258; 0,430; 0,602; 0,86 МэВ.Увеличить площадь поперечного сечения пучка можно не только рассеиванием в какой-либо среде, но и с помощью дефокусирующего действия электрического или магнитного полей. Обычно для этой цели принято применять магнитные квадрупольные линзы. Для получения круговой зоны облучения необходимо установить две такие линзы, повернутые относительно друг друга на 90. Для получения зоны облучения с определенным радиусом регулируют либо расстояние между объектом облучения и квадрупольной системой, либо напряженность магнитного поля.Операция технологического облучения полупроводниковых приборов для получения воспроизводимых интегральных радиационных эффектов на больших партиях приборов должна сопровождаться непрерывным контролем и регистрацией рабочей зоны облучения. Имерению, контролю и регистрации подлежат энергетический спектр и поток ускоренных электронов, плотность потока электронов по зоне облучения.На рисунке 15 приведена схема облучения при рассеивании пучка электронов на воздухе и типичные кривые распределения плотности потока электронов в поперечном сечении пучка вблизи выходного окна и на некотором расстоянии от него.Рисунок 15 Схема облучения на воздухеПостроив зависимость полного радиуса пучка от расстояния “объект-ускоритель”, можно получить крайнюю траекторию электронов расходящегося пучка (“огибающую” полного пучка). Если выяснить вид функции распределения плотности потока на различных расстояниях “объект-ускоритель” L, то можно построить “огибающие” пучка для зоны с заданной неравномерностью облучения. От этих кривых можно перейти к зависимостям площадей рабочих зон облучения от расстояния “объект-ускоритель”, а, затем, рассчитывая процент частиц, попавших на эту площадь, можно построить зависимости вида = f (L, k), где k – параметр неравномерности облучения. Используя набор этих зависимостей для конкретного режима работы ускорителя можно поэтапно определить основные условия процесса облучения – расстояние “объект-ускоритель”, радиус и площадь рабочей зоны облучения, общее время облучения для набора требуемого интегрального потока при заданной плотности. Для определения средней энергии электронов при облучении образцов используются детекторы из оргстекла, которые позволяют определить максимальную энергию электронов на расстоянии 10 см от выходного окна ускорителя. Величина погрешности определения средней энергии электронов в плоскости облучения не превышает 7 %. В процессе облучения при поддержании плотности потока электронов в пределах 10 % от установленного режима, средняя энергия изменяется в пределах 6 % от установленного режима. Средний ток пучка замеряется с помощью цилиндра Фарадея. При измерении тока пучок частиц попадает на полностью поглощающий электроны электрод. Цилиндр Фарадея является частью замкнутой электрической цепи, ток в которой измеряют либо по падению напряжения на известном сопротивлении, либо микроамперметром. Для определения интегрального потока электронов используются детекторы сопровождения облучения интегрального типа СГД-8 (при Ф 1014 см-2). Погрешность определения интегрального потока электронов не превышает 13 %. Определение полученного интегрального потока электронов при облучении образцов осуществляется исходя из совокупности показаний детекторов СГД-8, устанавливаемых в поле облучения по периметру образца. При требуемом интегральном потоке электронов свыше 1014 см-2 в качестве детектора сопровождения используется монитор интегрального потока. Величина погрешности определения интегрального потока электронов не превышает 10 %. Схема расположения датчиков интегрального потока электронов показана на рисунке 16.ДатчикиЦилиндр ФарадеяРисунок 16 Схема расположения датчиков интегрального потока электроновРабочая зона облучения на ускорителе ЭЛУ-6, определенная по приведенной выше методике с использованием рассеяния пучка на воздухе и режимах облучения: Ee = 6 МэВ при среднем токе пучка 1000 мкА у выходного окна, = 1012 см-2с-1 при неравномерности облучения не более 30 % составляет на расстоянии L = 75 см от выходного окна 1600 см2. Время операции облучения для набора требуемого интегрального потока рассчитывается из соотношения , (46)где интегральный поток электронов, см-2; облучаемая площадь, см2; ток пучка электронов, мкА. Исследуемые приборы облучались интегральными потоками 4 1014…3 1016 см-2. Структуры облучали при плотности потока (0,7 0,8) 1012 см-2с-1 при потоках (1014 1015) см-2 и 1013 см-2с-1 при потоке 1016 см-2, изменение плотности потока обеспечивали изменением расстояния между выходным окном ускорителя и объектами облучения. Облучение электронами с такими плотностями потоков приводит к разогреву образцов до температур T = (40 50) C при потоках (1014 1015) см-2 и (140 160) C при потоке 1016 см-2. Температуру образцов при облучении измеряли с помощью термопары ХК (хромель-копель, ГОСТ 1790-63). Термическая обработка облученных диодов с целью стабилизации их параметров при заданной дозе облучения производилась методом изотермического отжига в лабораторной трубчатой электропечи марки СУОЛ-0,4.4/12-М2-У4.2, предназначенной для температурной обработки материалов при температуре (200 – 1250) С в стационарных условиях. Точность поддержания температуры в рабочей зоне составляет 5 C. Величина заданной температуры поддерживается автоматически. Печь выполнена в виде шкафа с габаритными размерами 740400610 мм и состоит из собственно печи и блока управления. Рабочая камера нагрева печи представляет собой кварцевую трубу, снабженную внешними нагревательными элементами и торцевыми керамическими пробками. Блок управления включает в себя регулирующий милливольтметр, электронную приставку, тиристор, сигнальную лампу и выключатель, расположенные на передней панели. Блок-схема электропечи для отжига приведена на рисунке 17.Блок управленияЗагрузкаРабочаякамераНагревательныеэлементыРисунок 17 Блок-схема электропечи для отжигаОтжиг проводился в течение 30 минут при температурах (300 400) °С. Нагрев и охлаждение проводили постепенно (23 25) C/мин.2.2 Аппаратура для измерения статических параметров диодов2.2.1 Измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2-56Для измерения порогового напряжения транзисторов, пробивного напряжения использовался измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2-56. Прибор Л2-56 предназначен для визуального наблюдения статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, измерения напряжения на их электродах и токов в их цепях, определения их низкочастотных параметров. Прибор может применяться для исследования и входного контроля в лабораторных и цеховых условиях. Пределы измерения напряжения на коллекторе исследуемого полупроводникового прибора от 50 мВ до 2000 В. Пределы измерения тока в цепи коллектора исследуемого полупроводникового прибора от 1 мкА до 16 А. Основная погрешность измерения напряжения на коллекторе, тока коллектора не превышает 5 %. Блок-схема прибора приведена на рисунке 18. Основными узлами прибора являются:источник питания коллекторной цепи;генератор ступенек;усилитель ступенек;усилитель индикаторный по вертикали;регулятор калиброванного перемещения по вертикали;блок испытания транзисторов;регулятор чувствительности по вертикали;регулятор чувствительности по горизонтали;регулятор калиброванного перемещения по горизонтали;усилитель индикаторный по горизонтали;электронно-лучевая трубка;источник питания.Для получения на экране прибора семейства характеристик исследуемого транзистора, в коллекторную цепь транзистора через ограничительный резистор подается напряжение от источника питания коллекторной цепи. От генератора ступенек на вход усилителя ступенек поступает ступенчатый ток. С выхода усилителя ступенек ступенчато изменяющееся напряжение или ток подаются на эмиттер или базу исследуемого транзистора в зависимости от схемы включения. При этом в коллекторной цепи транзистора возникает импульс тока.Напряжения, пропорциональные токам в электродах испытуемого транзистора, или напряжения на этих электродах подаются через регулятор чувствительности по вертикали и горизонтали на соответствующие индикаторные усилители вертикального и горизонтального отклонения. Выходы индикаторных усилителей присоединены к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки.Усилитель ступенекГенератор ступенекИсточник питания коллекторныйРегулятор чувствительности по горизонталиРегулятор калиброванного перемещения по горизонталиУсилитель индикаторный горизонтального отклоненияУсилитель индикаторный вертикального отклоненияУсилитель индикаторный вертикального отклоненияРегулятор чувствительности по вертикалиИсточник питанияКомпенсация петлиКомпенсация петлиПодавление в/ч шумовОграничительный резисторРисунок 18 – Блок-схема установки Л2-56 На экране ЭЛТ возникает изображение семейства вольт-амперных характеристик транзистора. Регулятор калиброванного перемещения изображения по вертикали и горизонтали служит для повышения точности измерения.На вход усилителя вертикального отклонения помимо импульсов с регулятора чувствительности по вертикали приходят импульсы коллекторного напряжения, не зависящие от режима транзистора и определяемые соотношением паразитных емкостей схемы и транзистора. Эти дополнительные импульсы вызывают искажение осциллограммы, известное под названием “петля”. Эта петля особенно сильно проявляется при испытании транзистора в режиме малых токов и больших коллекторных напряжений. Для компенсации петли в блок-схеме предусматривается специальная цепочка, состоящая из 2-х подстроечных конденсаторов и коммутируемого резистора.Через эту цепочку на второй вход индикаторного усилителя поступают импульсы коллекторного напряжения, совпадающие по фазе и амплитуде с паразитными импульсами, попадающими на первый вход. Этим достигается компенсация петли.2.2.2 Измеритель статических параметров мощных транзисторов и диодов Л2-69Измеритель статических параметров мощных транзисторов и диодов Л2-69 предназначен для измерения и контроля обратного тока коллектора ICB0, обратного тока эмиттера IEB0, обратного тока коллектор-эмиттер ICER, напряжения насыщения коллектор-эмиттер UCEsat, напряжения насыщения база-эмиттер UBEsat, статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером h21E мощных транзисторов, а также постоянного обратного тока IR и постоянного прямого напряжения UF мощных диодов.Измеритель Л2-69 применяется во входном, выходном и технологическом контролях, при ремонте и настройке радиоэлектронных устройств в лабораторных и цеховых условиях.Измеритель обеспечивает измерение:обратного тока коллектора ICB0 и эмиттера IEB0 от 10-7 до 10-1 А; напряжений насыщения база-эмиттер UBEsat и коллектор-эмиттер UCEsat от 0,05 до 10 В; статического коэффициента передачи тока биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером h21E от 5 до 9990;постоянного обратного тока диода IR от 10-7 до 10-1 А; постоянного прямого напряжения диода UF от 0,05 до 10 В. В измерителе используется метод преобразования измеряемых обратных токов в постоянное напряжение, метод непосредственного измерения амплитуды импульсного напряжения при помощи быстродействующего АЦП и метод преобразования тока базы в цифровой код при измерении статического коэффициента передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером с последующим вычислением соотношения h21Е = Iк/Iб.Упрощенная структурная схема измерителя статических параметров мощных транзисторов и диодов представлена на рисунке 19.Устройство питания клас-сификатораБлокклассификатораАдаптерУстройство коммутацииИсточники режимовУстройствоизмерительноеУстройство управления циклом измерения и контроляУстройство индикацииУстройствологическоеУстройствоуправленияУстройстводеленияУстройстводистанцион-ного управленияУстройствопитания измерительного блокаБлок измерительныйРисунок 19 – Упрощенная структурная схема измерителя статических параметровмощных транзисторов и диодов Л2-69Адаптер служит для подключения к измерителю различных типов мощных биполярных транзисторов и диодов. Устройство коммутации служит для коммутации измерительных цепей в соответствии с выбранным измеряемым параметром и циклом измерения. Устройство питания классификатора вырабатывает следующие напряжения питания: плюс 5 В, 5 А; плюс 15 В, 1 А; минус 15 В, 1 А; плюс 12 В, 1,5 А. Источники режимов служат для задания режимов измеряемому транзистору или диоду. Устройство измерительное служит для преобразования измеряемых параметров в нормализованные сигналы. Устройство управления циклом измерения и контроля служит для управления последовательностью контроля и измерения транзистора или диода. Устройство индикации служит для индикации результата измерения, единиц измерения, измеряемого параметра, используемых источников режимов, а также для ручной коммутации режимов и параметров. Устройство логическое служит для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и мультиплексирования последнего в нужном направлении. Устройство управления служит для управления запуском и остановкой измерителя, а также для формирования сигнала выбранного параметра. Устройство деления служит для деления цифровых кодов. Устройство дистанционного управления служит для преобразования сигналов измерителя в стандартные сигналы канала общего пользования (КОП). Устройство питания блока измерительного вырабатывает следующие напряжения питания: плюс 5 В, 7,5 А; плюс 15 В, 1 А; минус 15 В, 1 А.В настоящей работе Л2-69 использовался на всех стадиях радиационно-термической обработки диодов для исследования прямого падения напряжения.2.2.3 Измеритель емкости диодных структур ИЕ – 95Измеритель емкости ИЕ–95 предназначен для измерения емкости полупроводниковых приборных структур РТП p-n-переходом или барьером Шоттки, а также для измерения зависимости емкости от напряжения (воль-фарадных характеристик), от температуры или других внешних факторов. Метод измерений мостовой. В одно плечо емкостного моста включается испытуемая структура, в другое подается переменный ток от управляемого генератора. При балансе моста ток генератора пропорционален величине испытуемой емкости. Принципиальная схема установки показана на рисунке 20.Рисунок 20 – Принципиальная схема установки ИЕ – 95В приборе имеется встроенный источник постоянного напряжения смещения исследуемой структуры для измерения ВФХ. Питание прибора осуществляется от цепи переменного тока напряжением 220 В. Технические характеристики ИЕ-95 приводятся в таблице 2. Таблица 2 Технические характеристики ИЕ-95Наименование параметраЗначение параметраДиапазон значений измеряемой емкости, пФ2000Погрешность измерения, %1Частота тестового сигнала, кГц500Амплитуда тестового сигнала, мВ15Максимальное напряжение смещения на испытуемом образце, В11Максимальное значение активной составляющей электропроводности образца, мСм12.2.4 Установка измерения времени восстановления обратного сопротивления Принципиальная электрическая схема измерения времени восстановления обратного сопротивления показана на рисунке 21.G1 – генератор прямого тока с выходным сопротивлением Rвых1;G2 – генератор импульса напряжения с выходным сопротивлением Rвых2;X1, X2 – выводы; VD – измеряемый диод;P – измерительное устройство с входным сопротивлением Rвх (осциллограф)B – точка землиРисунок 21 – Принципиальная электрическая схема измерения времени восстановления обратного сопротивленияОт генератора G1 через измеряемый диод VD и входное сопротивление Rвх измерительного устройства P подают постоянный или импульсный прямой ток в течение времени, достаточного для установления в измеряемом диоде неравновесных носителей заряда, соответствующего протекающему току.Затем от генератора G2 подают импульс обратного напряжения, запирающий измеряемый диод (при импульсном прямом токе допускается подача постоянного обратного напряжения).