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 51179 10.30987/2658-6436-2022-2-92-100 Электротехнические комплексы и системы Electrotechnical complexes and systems Электротехнические комплексы и системы MODELING POWER CHARACTERISTICS OF SCHOTTKY DIODE UNDER EXTREME OPERATION MODES МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВОГО ДИОДА ШОТТКИ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ Малаханов Алексей Алексеевич Malakhanov Alexey Alexeevich malakhan@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Медведев Дмитрий Михайлович Medvedev Dmitriy Mihailovich atsys@tu-bryansk.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Брянский государственный технический университет Брянск Россия Bryansk State Technical University Bryansk Russian Federation Брянский государственный технический университет Bryansk State Technical University 30 06 2022 30 06 2022 2022 2 92 100 22 06 2022 https://naukaru.ru/en/nauka/article/51179/view

Представлены результаты приборно-технологического моделирования статических вольтамперных характеристик (ВАХ), а также зависимостей дифференциального сопротивления и рассеиваемой мощности для структуры карбидокремниевого диода Шоттки в САПР Synopsys Sentaurus TCAD. В результате исследований и моделирования подобраны конструктивно-технологические параметры диода Шоттки, на основе которых получены ВАХ, сопоставимые с заданной точностью с физическим экспериментом (ток анода не менее 100 А, пробивное напряжение не менее 1400 В при температуре 77 К). Выполнена верификация полученных приборно-технологическим моделированием статических характеристик диода Шоттки путем сопоставления результатов вычислительного эксперимента с физическим исследованием диода C4D20120D фирмы Cree для диапазона температур от 300 К до 77 К. Новизна работы заключается: в разработке приборно-технологической модели (ПТМ) полупроводникового прибора, учитывающей эффект саморазогрева кристалла; получении результатов, отражающих характеристики полупроводникового прибора в нормальных и экстремальных температурных режимах эксплуатации; получении зависимостей, отражающих изменение дифференциального сопротивления и рассеиваемую мощность; возможности использования результатов разработанной ПТМ для промышленной реализации карбидокремниевого диода Шоттки на предприятиях России в виде дискретных полупроводниковых приборов, либо элементов в составе полупроводниковых силовых модулей.

The results of device-technological modelling of static current-voltage characteristics (CVC), as well as the dependences of differential resistance and power dissipation for the structure of a silicon carbide Schottky diode in Synopsys Sentaurus TCAD are presented. As a result of the research and modelling, the design and technological parameters of the Schottky diode are selected, on the basis of which the current-voltage characteristics are obtained, comparable with the specified accuracy with the physical experiment (the anode current is not less than 100 A, the breakdown voltage is not less than 1400 V at a temperature of 77 K). Verifying the static characteristics of the Schottky diode obtained by the instrumental-technological modelling is carried out by comparing the results of a computational experiment with a physical study of the Cree C4D20120D diode for a temperature range from 300 K to 77 K. The novelty of the work lies in developing an instrument-technological model (ITM) of a semiconductor device that takes into consideration a crystal self-heating effect; obtaining results reflecting the characteristics of a semiconductor device in the normal and extreme temperature operating conditions; in obtaining dependences reflecting the change in differential resistance and power dissipation; in having the possibility to use the results of the developed ITM for the industrial implementation of the silicon carbide Schottky diode at Russian enterprises in the form of discrete semiconductor devices, or elements as part of semiconductor power modules.

 диод Шоттки жидкий азот приборно-технологическая модель TCAD статические характеристики конструктивно-технологическое решение карбид кремния Schottky diode liquid nitrogen instrument-technological model TCAD static characteristics constructive-technological solution silicon carbide работа выполнена при поддержке Фонда перспективных исследований, договор №6/211/2021ав от 25.02.2021. the work was carried out with the support of the Foundation for Advanced Research, Contract No. 6/211/2021av dated 02/25/2021.

Рыбалка С.Б., Демидов А.А., Малаханов А.А. Силовые диоды и транзисторы на основе карбида кремния: монография. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2018. 129 с. Rybalka S.B., Demidov A.A., Malakhanov A.A. Power Diodes and Transistors on the Base of Silicon Carbide. Beau Bassin: LAP LAMBERT Academic Publishing; 2018. Baliga, B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Cham: Springer International Publishing, 2019. Baliga, B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Cham: Springer International Publishing, 2019. Экспериментальные диоды Шоттки−(p−n) (JBS-диоды) на основе 4H-SiC / П.А. Иванов [и др.] // Физика и техника полупроводников. Т. 43. № 9. С. 1249-1252. Ivanov P.A. Experimental Junction Barrier Schottky (JBS) Diodes Based on 4H-SiC. Semiconductors. 2009;43(9):1249-1252. Luo, X. Design and fabrication of high voltage 4H-SiC Schottky barrier diodes. 2019. Luo, X. Design and fabrication of high voltage 4H-SiC Schottky barrier diodes. 2019. Исследование стойкости SiC-диодов Шоттки ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» к скорости нарастания обратного напряжения / Н.А. Брюхно [и др.] // Силовая Электроника. 2018. Т. 2. № 71. Belly N.A. Study of resistance of the ZAO «Gruppa Kremny EL» SiC Schottky Diode to the Speed of Increase of the Reverse Voltage. Power Electronics. 2018;2:71. Проблемы криогенного охлаждения полупроводниковых вентилей статических преобразователей / Г.А. Дубенский [и др.] // Электричество. 2019. № 6. С. 4-12. Dubensky G.A. Matters Concerned with Using Cryogenic Cooling of Static Converter Semiconductor Switches. Elektrichestvo. 2019;6:4-12. A Cryogenically Cooled MW Inverter for Electrified Aircraft Propulsion / R. Chen [et al.] // AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum. VIRTUAL EVENT: American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2020. A Cryogenically Cooled MW Inverter for Electrified Aircraft Propulsion / R. Chen [et al.] // AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum. VIRTUAL EVENT: American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2020. Improving Performance of Cryogenic Power Electronics / P. Haldar [et al.] // IEEE Transactions on Appiled Superconductivity. 2005. Vol. 15. № 2. P. 2370-2375. Improving Performance of Cryogenic Power Electronics / P. Haldar [et al.] // IEEE Transactions on Appiled Superconductivity. 2005. Vol. 15. № 2. P. 2370-2375. Kshirsagar P. Superconducting Motor and Cryo-Cooled Inverter Engine: SOARING. P. 12. Kshirsagar P. Superconducting Motor and Cryo-Cooled Inverter Engine: SOARING. P. 12. Superconducting motors for aircraft propulsion: the Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator project / F. Grilli et. al. // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Т. 1590. - Superconducting motors for aircraft propulsion. С. 012051. Superconducting motors for aircraft propulsion: the Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator project / F. Grilli et. al. // Journal of Physics: Conference Series. 2020. T. 1590. - Superconducting motors for aircraft propulsion. P. 012051. Медведев Д.М. Малаханов А.А. Моделирование вольт-амперных характеристик LDD MOS транзистора при криогенной температуре // Сборник научных трудов IV Международной научно-практической конференции. - Брянский государственный технический университет. 2020. С. 390-393. DOI: 10.51932/9785907271739_390. Medvedev DM Malakhanov AA. Modelling of the Current-Voltage Characteristics of LDD MOS Transistor at Cryogenic Temperature. In: Proceedings of the IVth International Scientific and Practical Conference; 2020; Bryansk: Bryansk State Technical University: 2020. p. 390-393. doi: 10.51932/9785907271739_390. Boll D.M. 10 MW HTS Generator für hybrid-elektrische Flugzeugantriebe. 2020. P. 29. Boll D.M. 10 MW HTS Generator für hybrid-elektrische Flugzeugantriebe. 2020. P. 29. Моделирование электропривода переменного тока с алгоритмами пространственно-векторной модуляции / Н.В. Чуприна [и др.] // Автоматизация и моделирование в проектировании и управлении. 2022. № 1 (15). С. 80-88. Chuprina N.V. Modelling of an AC Electric Drive with Space-Vector Modulation Algorithms. Automation and Modelling in Design and Management. 2022;1(15):80-88. European Commission. Directorate General for Research and Innovation. Flightpath 2050: Europe’s vision for aviation: maintaining global leadership and serving society’s needs. Flightpath 2050 / European Commission. Directorate General for Research and Innovation., European Commission. Directorate General for Mobility and Transport. - LU: Publications Office. 2011. European Commission. Directorate General for Research and Innovation. Flightpath 2050: Europe’s vision for aviation: maintaining global leadership and serving society’s needs. Flightpath 2050 / European Commission. Directorate General for Research and Innovation., European Commission. Directorate General for Mobility and Transport. - LU: Publications Office. 2011. Высоковольтные (1800В) планарные p-n переходы на основе 4H-SiC с плавающими охранными кольцами / П.А. Иванов [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. № 4. С. 527-530. Ivanov P.A. High-Voltage (1800V) Planar 4H-SiC p-n Junctions with Floating Guard Rings. Semiconductors. 2009;43(4):527-530. Высоковольтные (3,3кВ) JBS-диоды на основе 4H-SiC / П.А. Иванов [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45. № 5. С. 677-681. Ivanov P.A. High-Voltage (3.3 kV) 4H-SiC JBS Diodes. Semiconductors. 2011;45(5):677-681. TCAD - Technology Computer Aided Design (TCAD) | Synopsys [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html (дата обращения: 04.04.2022) TCAD - Technology Computer Aided Design (TCAD) | Synopsys [Electronic resource]. - Access mode: https://www.synopsys.com/silicon/tcad .html (accessed: 04.04.2022).