Automation and modeling in design and management Automation and modeling in design and management Автоматизация и моделирование в проектировании и управлении 2658-3488 2658-6436 49268 10.30987/2658-6436-2022-1-4-14 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Mathematical modeling, numerical methods and program complexes Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ AUTOMATED CALCULATION OF STATIC CHARACTERISTICS OF SILICON FAST RECOVERY DIODES FOR APPLYING IN POWER ELECTRONICS DEVICES АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВЫХ БЫСТРОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ДИОДОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСТРОЙСТВАХ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Герасимов Константин Александрович Gerasimov Konstantin Alexandrovich kostyafreeman@yandex.ru Данцев Олег Олегович Dantsev Oleg Olegovich dantsev@sitsemi.ru Красюков Антон Юрьевич Krasyukov Anton Yurievich a_kras@org.miet.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ Брянск Россия «Silicon El» group Bryansk Russian Federation ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ Брянск Россия «Silicon El» group Bryansk Russian Federation Национальный исследовательский университет «МИЭТ» National Research University of Electronic Technology 30 03 2022 30 03 2022 2022 1 4 14 17 03 2022 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/49268/view

Выполнен расчет, анализ и верификация вольтамперных характеристик (ВАХ) кремниевого быстровосстанавливающегося диода (БВД) с использованием методов приборно-технологического моделирования. Определены конфигурация планарной структуры кристалла полупроводникового прибора, уровни легирования и дозы облучения высокоэнергетичными частицами, при которых достигаются требуемые значения рабочих и максимальных прямых токов и обратных (пробивных) напряжений. Основными задачами, решению которых посвящена статья, являются задачи определения оптимальных конструктивно-технологических параметров структуры БВД и верификации расчетных значений ВАХ с экспериментальными данными снятых с быстровосстанавливающегося диода SKKE310F12 при различных значениях температуры окружающей среды. Новизна работы представляется полученной верифицированной приборно-технологической моделью БВД, возможной к промышленной реализации в виде полупроводникового устройства на производственной базе отечественных предприятий микроэлектроники. Результаты исследований могут быть использованы при производстве элементной базы силовой электроники для импульсных преобразователей электроэнергии: дискретных БВД, структур БВД в составе силовых модулей на базе МОП и IGBT транзисторов.

Calculating, analysing and verifying current-voltage characteristics (CVC) of a silicon fast-recovery diode (FRD) are performed using the methods of instrumental-technological modelling. The article determines the planar structure configuration of a semiconductor device crystal, the levels of doping and doses of irradiation with high-energy particles, at which the required values of operating and maximum forward currents and reverse (breakdown) voltages are achieved. The main tasks to be solved in the article are to determine the optimal design and technological parameters of the fast-recovery diode (FRD) structure and verifying the calculated current-voltage characteristics (CVC) values with the experimental data taken from the SKKE310F12 fast recovery diode at various ambient temperatures. The novelty of the work is represented by the obtained verified instrumental-technological model of FRD, which is possible for industrial implementation in the form of a semiconductor device at the production base of domestic microelectronics enterprises. The results of the research can be used in producing the element base of power electronics for pulsed power converters, namely discrete FRD, FRD structures as part of power modules based on MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and IGBT transistors.

 приборно-технологическая модель кристалл планарная структура температура ВАХ пробой охранные кольца instrumental-technological model crystal planar structure temperature CVC breakdown guard rings

Глушко, А.А. Приборно-технологическое моделирование в системе TCAD Sentaurus : методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Автоматизация проектирования электронных средств» / А.А. Глушко. - Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. - 61 с. Glushko A.A. Instrument-Technological Modelling in the TCAD Sentaurus System: Methodical Instructions to Performance of Laboratory Works on Discipline «Automation of Design of Electronic Means». Moscow: BMSTU Publ., 2015, 61 p. Громов, В.И Конструктивно-технологические особенности эмиттера быстро восстанавливающихся диодов с мягким восстановлением / В.И. Громов [и др.] // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2006. - №6 (72). - С. 82-83. Gromov V.I. et al. Structural and Technological Features of the Emitter of Fast Recovery Diodes with Soft Recovery. Electronics: Science, Technology, Business, 2006, no. 6 (72), pp. 82-83. Индришенок, В.И. Основы приборно-технологического моделирования в Sentaurus TCAD [Электронный ресурс] / В.И. Индришенок. - М: Московский технологический университет (МИРЭА), 2018. - 118 с. Indrishenok V.I. Fundamentals of Instrument-Technological Modelling in Sentaurus TCAD. Moscow: Moscow Technological University (MIREA), 2018, 118 p. Pribytny, P. TCAD simulation methodology for full 3D electro-physical and advanced thermal analysis of power modules / P. Pribytny [et al.] // 2017 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD). - Kamakura, Japan: IEEE, 2017. - С. 249-252. Pribytny P. et al. TCAD Simulation Methodology for Full 3D Electro-Physical and Advanced Thermal Analysis of Power Modules. International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD). Kamakura, Japan: IEEE, 2017, pp. 249-252. SKKE 310F12. - SEMIKRON [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.semikron.com/products/product-classes/thyristordiode-modules/detail/skke-310f12-07910520.html. SKKE 310F12. - SEMIKRON. Available at: https://www.semikron.com/products/product-classes/thyristordiode-modules/detail/skke-310f12-07910520.html. TCAD - Technology Computer Aided Design (TCAD). - Synopsys [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html. TCAD - Technology Computer Aided Design (TCAD). - Synopsys. Available at: https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html. Ахмелкин, Д.М. Кремниевые pin-диоды для мощных СВЧ-устройств L- и S-диапазонов / Д.М. Ахмелкин, А.В. Ботов // Наноиндустрия. - 2020. - Т. 13. - №S4 (99). Akhmelkin D.M., Botov A.V. Silicon Pin-Diodes for High-Power Microwave Devices of L- and S-Bands. Nanoindustry, 2020, vol. 13, no. S4 (99). Медведев, Д.М. Моделирование вольт-амперных характеристик LDD MOS транзистора при криогенной температуре / Д. М. Медведев, А. А. Малаханов // САПР и моделирование в современной электронике: Сборник научных трудов IV Международной научно-практической конференции, Брянск, 22-23 октября 2020 года. - Брянск: Брянский государственный технический университет, 2020. - С. 390-393. - DOI: 10.51932/9785907271739_390. Medvedev D.M., Malakhanov A.A. Modelling the Current-Voltage Characteristics of an LDD MOS Transistor at Cryogenic Temperature. Proceedings of the 4th International Scientific and Practical Conference «CAD and Modelling in Modern Electronics», October 22-23, 2020. Bryansk: Bryansk State Technical University, 2020, pp. 390-393. DOI: 10.51932/9785907271739_390. Медведев, Д.М. Моделирование высоковольтного кремниевого диода Шоттки / Д.М. Медведев, А.А. Малаханов // САПР и моделирование в современной электронике: Сборник научных трудов V Международной научно-практической конференции, Брянск, 21-22 октября 2021 года. - Брянск: Новый формат, 2021. - С. 285-288. - DOI: 10.30987/conferencearticle_61c997f09d8527.44162014.9. Medvedev D.M., Malakhanov A.A. Simulation of a High-Voltage Silicon Schottky diode. Proceedings of the 5th International Scientific and Practical Conference «CAD and Modelling in Modern Electronics», October 21-22, 2021, Bryansk: Novyy format, 2021, pp. 285-288. DOI: 10.30987/conferencearticle_61c997f09d8527.44162014.9. Baliga, B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices / B.J. Baliga. - Cham: Springer International Publishing, 2019. Baliga B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Cham: Springer International Publishing, 2019. Lutz, J. Semiconductor Power Devices / J. Lutz [et al.]. - Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011. Lutz J. et al. Semiconductor Power Devices. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011.