چکیده:
این رساله به طراحی و ساخت دیود سیلسیمی باز شونده (SOS) به عنوان یک عضو جدید افزاره های نیمه هادی توان بالا پرداخته شده است. از سال 1937 که اولین افزاره توان بالا به دنیای مهندسی معرفی گشت، تاکنون تغییرات زیادی در ساختار این افزاره ها شکل گرفته است که با پا به عرصه گذاشتن ترانزیستور در سال 1947 افزاره های نیمه هادی نیز وارد این خانواده شده اند. هر کدام از این افزاره ها برای مرتفع کردن یک کمبود طراحی و ساخته شده است. دیود SOS نیز که در سال 1993 برای اولین بار ساخته شده است برای کاربردهای در محدوده توانی گیگاوات (GW) طراحی شده است. البته افزاره ای که ما امروزه آن را به نام دیود سیلسیمی باز شونده می شناسیم و در مورد آن بحث خواهیم کرد، نوع تغییر یافته نسل اول این افزاره می باشد که در سال 1996 برای اولین بار عرضه گردید.
این دیود به لحاظ ساختار بسیار شبیه دیودهای قدرت PIN بوده ولی عملکرد آن از مکانیسمی متفاوت ناشی می گردد. این عملکرد متفاوت را Silicon Opening Process می نامند و طبق نظر مقالات متفاوت جزئیات دقیق آن هنز در دست نیست. از دیگر ناشناخته های این افزاره عدم وجود مدل می باشد که آن هم ناشی از ناشناخته بودن فیزیک آن است.
پروسه عملکرد به صورت کامل در ادامه شبیه سازی شده است و با توجه به نتایج بهینه سازی هایی صورت گرفته که نتایج آن قابل بررسی است. در ادامه با توجه به پروسه ساخت پیشنهادی، افزاره شبیه سازی شده و نتایج حاصله با نتایج ناشی از دیود طراحی شده در جدول مقایسه گشته است.
مقدمه
در این مقاله ابتدا در همین فصل به بررسی تاریخچه انواع افزاره های قدرت می پردازیم و سپس به صورت دقیق تر به افزاره های قدرت نیمه هادی پرداخته و رنج توانی و افزایش این محدوده را در طی چند دهه اخیر بررسی می نماییم. با توجه با زمینه های جدید که هر روزه درخواست برای آنها وجود دارد در سال های اخیر نیز کاربردهای توان پالسی ایجاب نموده که دانشمندان برای پر کردن خلع یک افزاره قدرت نیمه هادی در کلاس توانی گیگا وات دست به طراحی یک دیود نیمه هادی با رنج توانی بالا و با اندازه کوچک و همچنین تکرار پذیری بالا در عین سادگی مدار درایو بزنند و نتیجه حاصله دیود SOS می باشد. کاربردهای این افزاره مطلب بعدی برای بررسی خواهد بود و این رنج وسیع کاربردها برای یک افزاره جوان با عمری کمتر از سه دهه اهمیت استراتژیک این قطعه را نشان می دهد. گذشته از گستره وسیع کاربردها، نوع کاربردها را اگر که مد نظر قرار دهیم خواهیم دید که این افزاره یک افزاره بسیار موثر بوده و دستیابی به تکنولوژی آن برای هر کشوری بسیار ارزنده خواهد بود.
در فصل بعد به دلیل شباهت ساختار دیود SOS به دیود قدرت PIN به معرفی ساختار این دیود پرداخته در ادامه فیزیک آن را مورد بررسی قرار می دهیم. البته توجه داریم که به دلیل محدود بودن موضوع به جزئیات ریز پرداخته نشده است و انتظار می رود خواننده این مقاله حداقل اطلاعات کافی را در مورد افزاره های نیمه هادی داشته باشد. با بررسی محدودیت های دیودهای قدرت و همچنین بررسی عملکرد آن در جریان های بالا و همچنین در ولتاژهای معکوس بالا که دو ویژگی اصلی افزاره های قدرت می باشند این فصل را به پایان می بریم.
در فصل بعد به بررسی پدیده SOS پرداخته است و با معرفی ساختار دیود به استخراج پارامترهای ساخت از جمله ابعاد، پروفیل ناخالصی و نوع ناخالصی ها پرداخته شده است. رنج توانی نمونه های ساخته شده نیز برای روشن شده ابعاد مسئله در ادامه ذکر شده است.
در فصل پنجم به شبیه سازی افزاره پرداخته شده است و با استفاده از پارامترهای فیزیکی استخراج شده از فصل قبل به ساختن دیود در بسته نرم افزاره SILVACO ATLAS و شبیه سازی آن با توجه به فیزیک عملکرد آن پرداخته شده است. در ادامه راهکارهایی برای افزایش جریان و کاهش زمان بازیابی معکوس ارائه شده است و دیود اولیه مورد بررسی قرار گرفته است. در این قسمت عوامل موثر جداگانه مورد بررسی قرار گرفته و در پایان نتایج نهایی مجددا شبیه سازی شده و نتایج استخراج گردیده است.
در فصل ششم به شبیه سازی پروسه ساخت و استخراج پارامترهای ساخت پرداخته شده است. روش نفذی که با امکانات موجود مطابقت دارد برای شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفته است. پارامترهای استخراج شده از این قسمت برای واقعی تر شدن و همچنین مطابقت با وسایل و تجهیزات موجود در کشور بهینه گشته و دوباره نتایج نهایی مورد شبیه سازی قرار می گیرد. در پایان برای مقایسه نتایج دقیق این افزاره ساخته شده در محیط آزمایشگاه مجازی برای بررسی عملکرد، در شبیه ساز افزاره مورد شبیه سازی قرار گرفته و نتایج نهایی با نتایج نهایی حاصل از فصل پنجم مورد بررسی قرار می گیرد.
در فصل هفتم به عنوان فصل پایانی نتیجه گیری ها مطرح شده و پیشنهاداتی برای بهبود عملکرد به صورت خلاصه مطرح می شود. در ضمن با توجه به ارزیابی های انجام شده ساخت دیود به صورت آزمایشگاهی در داخل کشور پیشنهاد می شود.
تعداد صفحات: 85
پایان نامه ارشد برق طراحی دیود نیمه هادی Silicon Opening Switch