Карбид-кремниевые полевые транзисторы (MOSFET). Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Устройство и обозначение биполярного транзистора
Во всех сменных блоках приемника и в их возможных вариантах использовались только германиевые транзисторы в основном структуры p-n-p. Лишь в двухтактном выходном каскаде бестрансформаторного усилителя звуковой частоты (блок 5) один из его транзисторов был структуры n-p-n. Германиевые транзисторы давно завоевали популярность у радиолюбителей и широко используются ими в конструируемой аппаратуре. К тому же цены на них за последнее время значительно снижены, они почти всегда бывают в магазинах радиотоваров, на торговых базах Посылторга и Центросоюза, откуда их можно выписать по почте.
Но на сегодняшний день германиевые транзисторы как неперспективные все больше уступают свое место в радиоаппаратуре, в том числе и любительской, кремниевым транзисторам. Объясняется это тем, что приборы и устройства на кремниевых транзисторах работают в различных условиях стабильнее.
В связи с этим у вас может возникнуть вопрос: можно ли в сменных блоках описанного приемника германиевые транзисторы заменить кремниевыми? Можно, но, разумеется, с учетом некоторых их особенностей.
Наиболее характерной особенностью кремниевых транзисторов является более высокое напряжение смещения, при котором они открываются. Германиевые транзисторы, как вам известно, открываются при напряжении на эмиттер-ном р-п переходе 0,1… 0,2 В, а кремниевые при напряжении 0,6… 0,7 В. Это значит, что на базе кремниевого транзистора, работающего в режиме усиления, относительно эмиттера должно быть не менее 0,6 В. При более низком напряжении смещения кремниевый транзистор будет искажать усиливаемый сигнал. Такой исходный режим работы кремниевого транзистора устанавливают, как и германиевого, соответствующим подбором номинала резистора в базовой цепи.
Рис. 47.
Схема усилителя звуковой частоты (блок 6) на кремниевых транзисторахБольшая часть кремниевых транзисторов имеет структуру n-p-n. Это значит, что заменяя в блоках германиевые p-n-p транзисторы на кремниевые n-p-n транзисторы надо изменить не только полярность источника питания, но и полярность включения электролитических конденсаторов.
Вот, собственно, то основное, что надо иметь в виду при замене германиевых транзисторов кремниевыми. Что же касается построения принципиальных схем блоков, напряжений источников питания, то они в основном не претерпевают изменений.
Для примера на рис. 47 приведена схема блока 6 – то же бестрансформаторного усилителя звуковой частоты, но на кремниевых транзисторах. Чем она отличается от схемы блока на германиевых транзисторах (см. рис. 38)? Главным образом полярностью включения источника питания и электролитических конденсаторов. Транзисторы 6 V1, 6 V2 и 6 V3 – n-p-n, 6
Напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов 6 V3 и 6 V4 (точка симметрии двухтактного выходного каскада), равное половине напряжения источника питания, устанавливают подбором резистора 6 R4, а ток коллекторной цепи транзистора 6 V3, равный 3… 4 мА, подбором резистора 6 R7. Обращаем внимание на включение резистора 6 R6 и динамической головки 1В1. В описанном 1 ! блоке на германиевых транзисторах такой резистор был подключен непосредственно к отрицательному, а головка к положительному проводникам источника питания. И здесь головка подключена к положительному проводнику источника питания, поэтому изменилась полярность включения электролитического конденсатора 6С5, а резистор 6 R6 подключен к точке соединения головки с этим конденсатором. При таком способе включений этого резистора через него из выходной цепи в базовую цепь транзисторов выходного каскада подается так называемая вольтодобавка – небольшое напряжение звуковой частоты, выравнивающее условия работы транзисторов.
Во всех блоках вместо высокочастотных и низкочастотных маломощных p-n-p транзисторов лучше всего использовать n-p-n транзисторы серии КТ315 со статическим коэффициентом передачи тока 80… 100, вместо n-p-n транзистора в блоке 6 (МП37) – p-n-p транзистор из серии КТ361. В выходном каскаде усилителя звуковой частоты повышенной мощности (рис. 40) p-n-p транзисторы-П602 можно заменить n-p-n транзисторами К.Т601, КТ602, КТ603 с любым? буквенным индексом.
Прежде чем начать монтаж того или иного блока, прокорректируйте его принципиальную схему с учетом приведенных здесь рекомендаций. Это предупредит ошибки и даже возможную порчу транзисторов.
Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора , пришедшего на замену электронным лампам.
Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность.
Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.
Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы – транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.
Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.
Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.
Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп.
Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.
Рис. 1. Первый транзистор
Рис. 2. Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.
Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.
Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.
Рис. 3. Транзистор и электронная лампа
Первые шаги к полупроводникам
С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов – проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда – электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).
К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.
Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля.
Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит – железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» – огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.
В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 – 1930 годы.
На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge).
В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn – перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).
Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.
Кроме того, запасы кремния (обычный песок на пляже) в природе безграничны, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого – в 1954 году. Это событие даже повлекло за собой новое название «кремниевый век», не надо путать с каменным!
Рис. 4. Эволюция транзисторов
Микропроцессоры и полупроводники. Закат «кремниевого века»
Вы никогда не задумывались над тем, почему в последнее время практически все компьютеры стали многоядерными? Термины двухъядерный или четырехъядерный у всех на слуху.
Дело в том, что увеличение производительности микропроцессоров методом повышения тактовой частоты, и увеличения количества транзисторов в одном корпусе, для кремниевых структур практически приблизилось к пределу.
Увеличение количества полупроводников в одном корпусе достигается за счет уменьшения их физических размеров. В 2011 году фирма INTEL уже разработала 32 нм техпроцесс, при котором длина канала транзистора всего 20 нм. Однако, такое уменьшение не приносит ощутимого прироста тактовой частоты, как это было вплоть до 90 нм технологий. Совершенно очевидно, что пора переходить на что-то принципиально новое.
Транзистор (transistor) – полупроводниковый элемент с тремя выводами (обычно), на один из которых (коллектор ) подаётся сильный ток, а на другой (база ) подаётся слабый (управляющий ток ). При определённой силе управляющего тока,как бы «открывается клапан» и ток с коллектора начинает течь на третий вывод (эмиттер ).
То есть транзистор – это своеобразный клапан , который при определённой силе тока, резко уменьшает сопротивление и пускает ток дальше (с коллектора на эмиттер).Происходит это потому, что при определенных условиях, дырки имеющие электрон, теряют его принимая новый и так по кругу. Если к базе не прилагать электрический ток, то транзистор будет находиться в уравновешенном состоянии и не пропускать ток на эмиттер.
В современных электронных чипах, количество транзисторов исчисляется миллиардами . Используются они преимущественно для вычислений и состоят из сложных связей.
Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний , арсенид галлия и германий . Также существуют транзисторы на углеродных нанотрубках , прозрачные для дисплеев LCD и полимерные (наиболее перспективные).
Разновидности транзисторов:Биполярные – транзисторы в которых носителями зарядов могут быть как электроны, так и «дырки».
Ток может течь, как в сторону эмиттера , так и в сторону коллектора . Для управления потоком применяются определённые токи управления.
– распротранёные устройства в которых управление электрическим потоком происходит посредством электрического поля. То есть когда образуется большее поле – больше электронов захватываются им и не могут передать заряды дальше. То есть это своеобразный вентиль, который может менять количество передаваемого заряда (если полевой транзисторс управляемым p — n — переходом). Отличительной особенностью данных транзисторов являются высокое входное напряжение и высокий коэффициент усиления по напряжению.
Комбинированные – транзисторы с совмещёнными резисторами, либо другими транзисторами в одном корпусе. Служат для различных целей, но в основном для повышения коэффициента усиления по току.
Подтипы:Био-транзисторы – основаны на биологических полимерах, которые можно использовать в медицине, биотехнике без вреда для живых организмов.
Проводились исследования на основе металлопротеинов, хлорофилла А (полученного из шпината), вируса табачной мозаики.
Одноэлектронные транзисторы – впервые были созданы российскими учёными в 1996 году . Могли работать при комнатной температуре в отличии от предшественников. Принцип работы схож с полевым транзистором, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Данный транзистор также называют нано- и квантовый транзистор. С помощью данной технологии, в будущем рассчитывают создавать транзисторы с размером меньше 10 нм , на основе графена .
Для чего используются транзисторы?Используются транзисторы в усилительных схемах , лампах , электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вкл выкл . Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно , либо методом импульс —пауза . Второй чаще используется для -управления.
Используя мощный источник питания, он проводит его через себя, регулируя слабым током.
Если силы тока недостаточно для включения цепи транзистора, то используются несколько транзисторов с большей чувствительностью, соединённые каскадным способом.
Мощные транзисторы соединённые в один или несколько корпусов, используются в полностью цифровых усилителях на основе . Часто им требуется дополнительное охлаждение . В большинстве схем, они работают в режиме ключа (в режиме переключателя).
Применяются транзисторы также в системах питания , как цифровых, так и аналоговых (материнские платы , видеокарты , блоки питания & etc ).
Центральные процессоры , тоже состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, соединённых в определённом порядке для специализированных вычислений .
Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку. Все виды и ПЗУ памяти, тоже состоят из транзисторов.
Все достижения микроэлектроники были бы практически невозможны без изобретения и использования транзисторов. Трудно представить хоть один электронный прибор без хотя бы одного транзистора.
В качестве демонстрации работоспособности концепции автор с командой создали подложки из германия на изоляторе, для создания инвертеров, содержащих сначала планарные транзисторы, а затем и FinFET-транзисторы
Почти 70 лет назад два физика из Телефонной лаборатории Белла – Джон Бардин и Уолтер Брэттейн – впрессовали два тонких золотых контакта в пластину из германия, и сделали третий контакт снизу пластины. Ток, проходивший через эту конструкцию, можно было использовать для превращения слабого сигнала в сильный. В результате появился первый транзистор – усилитель и переключатель, который, возможно, стал величайшим изобретением 20-го века. Благодаря закону Мура, транзистор развил компьютеры далеко за пределы того, что казалось возможным в 1950-е.
Несмотря на звёздную роль германия в ранней истории транзисторов, его вскоре заменили кремнием.
Но сейчас, что удивительно, этот материал готов вернуться. Лидеры в производстве чипов раздумывают над заменой компонентов в самом сердце транзистора – токопроводящем канале. Идея в том, чтобы заменить кремний материалом, способным лучше проводить ток. Создание транзисторов с такими каналами может помочь инженерам продолжать улучшать показатели контуров по скорости и энергоэффективности, что будет означать появление улучшенных компьютеров, смартфонов, и множества других гаджетов в последующие годы.
Долгое время интерес к альтернативным каналам вращался вокруг соединений A III B V , таких, как арсенид галлия, состоящих из атомов, находящихся слева и справа от кремния в таблице Менделеева. И я участвовал в том исследовании. Восемь лет назад я , обозначив прогресс, сделанный в построении транзисторов на таких соединениях.
Два транзистора в инвертере на основе FinFET содержат плавниковые каналы, выделяющиеся из плоскости подложки (вверху – розовые каналы, внизу – скошенный вид на ещё один набор).
Расстояния между «плавниками» вверху – десятки нанометров.
Но в результате мы обнаружили, что у подхода с A III B V существуют фундаментальные физические ограничения. А также он, скорее всего, был бы слишком дорогим и сложным для интеграции с существующей кремниевой технологией. Так что несколько лет назад моя команда в Университете Пердью начала эксперименты с другим устройством: с транзистором, канал которого выполнен из германия. С тех пор мы продемонстрировали первые контуры КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) . Примерно та же логика, что находится внутри современных компьютеров, только изготовленная из германия, выращенного на обычных кремниевых подложках. Мы также создали ряд различных транзисторных архитектур из этого материала. В них входят устройства из нанопроволоки, которые могут стать следующим шагом производства, когда сегодняшние лучшие транзисторы, FinFET, уже нельзя будет дальше уменьшать.
И что ещё интереснее, оказывается, что возвращать германий в работу не так сложно, как это кажется.
Транзисторы, использующие комбинацию кремния и германия в канале, уже можно найти в новых чипах, и они впервые появились в 2015 году, в демонстрации будущих технологий изготовления чипов от IBM. Эти разработки могут стать первым шагом индустрии, стремящейся внедрять всё большие доли германия в каналы. Через несколько лет мы можем столкнуться с тем, что материал, подаривший нам транзисторы, помог перенести их в следующую эпоху выдающегося быстродействия.
Германий впервые изолировал и открыл немецкий химик Клеменс Уинклер в конце XIX века. Материал был назван в честь родины учёного, и всегда считался плохо проводящим ток. Это изменилось во время Второй Мировой войны, когда были открыты полупроводниковые свойства германия – то есть, возможность переключения между проведением и блокированием тока. В послевоенные годы быстро развивались полупроводниковые устройства на германии. В США производство, отвечая на запросы рынка, возросло от нескольких сотен фунтов в 1946 до 45 тонн к 1960-му году.
Но кремний выиграл; он стал популярным материалом для микросхем логики и памяти.
И для доминирования кремния есть веские причины. Во-первых, его больше, и он дешевле. У кремния более широкая запрещённая зона, энергетический барьер, который нужно преодолеть для создания проводимости. Чем больше эта зона, тем сложнее току просочиться через устройство в ненужный момент и зря потратить энергию. В качестве бонуса у кремния и теплопроводность была лучше, что позволяло легче отводить тепло, чтобы контуры не перегревались.
Учитывая все преимущества, естественно заинтересоваться – зачем бы нам вообще раздумывать над возвращением германия в канал. Ответ – мобильность. Электроны в германии при комнатной температуре двигаются почти в три раза охотнее, чем в кремнии. А дырки – отсутствие электрона в материале, рассматриваемое, как положительный заряд – двигаются почти в четыре раза охотнее.
Девятиступенчатый кольцевой КМОП-осциллятор, представленный в 2015 году
То, что в германии электроны и дырки такие мобильные, делает его удобным кандидатом для КМОП-контуров.
КМОП сочетает два разных типа транзисторов: p-канальные FET (pFET), канал которых содержит избыток свободных дырок, и n-канальные FET (nFET), у которых есть избыток электронов. Чем быстрее они двигаются, тем быстрее работают контуры. А уменьшение напряжения, требуемого для их передвижения, означает и уменьшение энергопотребления.
Конечно, германий – не единственный материал с такой мобильностью частиц. Упомянутые ранее составы A III B V , материалы, такие, как арсенид индия и арсенид галлия, также могут похвастаться высокой подвижностью электронов. Электроны в арсениде индия почти в 30 раз подвижнее, чем в кремнии. Но проблема в том, что это свойство не распространяется на дырки – они не сильно подвижнее тех, что есть в кремнии. И это ограничение приводит к невозможности создания высокоскоростных pFET, а отсутствие скоростных pFET сводит на нет получение быстрых КМОП-контуров, поскольку они не могут работать с очень большой разницей в скоростях работы nFETs и pFETs.
Один из вариантов решения – взять от каждого материала лучшее.
Исследователи во многих лабораториях, например, Европейской организации по исследованию полупроводников Imec и Цюрихской лаборатории IBM, показали способы создания контуров, у которых каналы nFET сделаны из составов A III B V , а pFET – из германия. И хотя эта технология может позволить создавать очень быстрые контуры, она сильно усложняет производство.
Поэтому нам больше нравится простой подход с германием. Германиевые каналы должны увеличить быстродействие, а проблемы производства будут не такими серьёзными.
Как дела у германия
Чтобы германий – или любой альтернативный материал – попал в производство, необходимо найти способ добавления его на кремниевые подложки, используемые в настоящее время для изготовления чипов. К счастью, существует множество способов нанести на кремниевую подложку германиевый слой, из которого потом можно сделать каналы. Использование тонкого слоя устраняет две ключевые проблемы германия – высокая по сравнению с кремнием стоимость, и относительно плохая теплопроводность.
Но чтобы заменить кремний в транзисторе, недостаточно просто впихнуть тонкий и высококачественный слой из германия. Канал должен безупречно работать с другими компонентами транзистора.
В вездесущих современных КМОП-чипах используются транзисторы на основе МОП (металл-оксид-полупроводник – МОП-транзистор; metal-oxide-semiconductor field effect transistor – MOSFET). У него есть четыре базовых части. Исток и сток – исходная и конечная точка перемещения тока; канал, соединяющий их; затвор, служащий клапаном, контролирующим наличие тока в канале.
В реальности в качественном транзисторе присутствуют и другие ингредиенты. Один из самых важных – изолятор затвора, предотвращающий короткое замыкание затвора и канала. Атомы в полупроводниках, таких, как кремний, германий и составы A III B V , расположены в трёх измерениях. Идеально плоскую поверхность изготовить нельзя, поэтому у атомов, находящихся вверху канала, будет несколько выпирающих связей. Вам необходимо изолятор, связывающий как можно больше этих связей, и этот процесс называется пассивацией, или поверхностной протравкой.
В случае некачественного изготовления можно получить канал с «электрическими выбоинами», полный таких мест, где переносчики заряда могут временно задерживаться, что понижает их подвижность и, в результате, скорость работы устройства.
Слева: nFET из составов A III B V , и pFET из германия, кусочки обеих материалов выращены на кремниевой подложке с изоляцией.
Справа: оба транзистора выполнены из германия, связанного с подложкой.
К счастью, природа снабдила кремний естественным изолятором, хорошо совпадающим с его кристаллической структурой: диоксидом кремния (SiO 2). И хотя в современных транзисторах встречаются более экзотические изоляторы, в них всё равно есть тонкий слой этого оксида, служащий для пассивации кремниевого канала. Поскольку кремний и SiO 2 близки по структуре, хорошо изготовленный слой SiO 2 связывает 99 999 из 100 000 свободных связей – а на квадратном сантиметре кремния их содержится примерно столько.
Арсенид галлия и другие составы A III B V не обладают естественным оксидами, а у германия он есть – поэтому, в теории, у него должен быть идеальный материал для пассивации канала.
Проблема в том, что диоксид германия (GeO 2) слабее, чем SiO 2 , и может поглощаться и растворяться водой, используемой для очистки подложек во время изготовления чипов. Что ещё хуже, процесс роста GeO 2 сложно контролировать. Для идеального устройства требуется слой GeO 2 в 1-2 нм толщиной, но в реальности сложнее сделать слой тоньше 20 нм.
Исследователи изучали разные альтернативы. Профессор из Стэнфорда, Кришна Сарасват , и его коллеги, подстегнувшие интерес к использованию германия в качестве альтернативного материала ещё в 2000-х, сначала изучали диоксид циркония, материал с высокой диэлектрической проницаемостью того типа, что используется сегодня в высокоскоростных транзисторах. На основе их работы группа из Imec в Бельгии изучили, что можно сделать со сверхтонким слоем кремния для улучшения интерфейса между германием и подобными материалами.
Но пассивация германия была серьёзно усовершенствована в 2011 году, когда команда профессора Шиничи Такаги из Токийского университета продемонстрировала способ контроля роста германиевого изолятора.
Сначала исследователи вырастили нанометровый слой ещё одного изолятора, оксида алюминия, на германиевом канале. После этого их разместили в кислородной камере. Часть кислорода прошла через слой оксида алюминия к находящемуся внизу германию, и смешалась с ним, сформировав тонкий слой оксида (соединение германия с кислородом, но технически не GeO 2). Оксид алюминия не только помогает контролировать рост, но и служит защитным покрытием для менее стабильного слоя.
Нанопроводные каналы
Несколько лет назад, вдохновившись этим открытием и учитывая сложности создания pFET с каналами из A III B V , моя группа в Пердью начала исследовать способы создания транзисторов на германиевых каналах. Мы начали с использования подложек с германием на изоляторе, разработанных французским производителем Soitec. Это стандартные кремниевые подложки с изолирующим слоем, находящимся под 100 нм слоем германия.
С этими подложками можно создавать транзисторы, у которых все стандартные части – исток, канал и сток – сделаны из германия. Производителю транзисторов не обязательно следовать такой конструкции, но нам так было проще изучать основные свойства германиевых устройств.
Одним из первых препятствий стала борьба с сопротивлением между истоком и стоком транзистора и металлическими электродами, соединяющими их с внешним миром. Сопротивление возникает из-за естественного электронного барьера Шоттки, появляющегося в месте контакта металла и полупроводника. Кремниевые транзисторы без устали оптимизировали для минимизации этого барьера, так, чтобы переносчикам заряда было легко его преодолевать. Но в германиевом устройстве требуются хитрые инженерные решения. Благодаря нюансам электронной структуры дырки легко перемещаются из металла в германий, а вот электроны – не очень. Это значит, что у nFET, полагающихся на передвижения электронов, будет очень большое сопротивление, потери тепла и тока.
Стандартный способ сделать барьер тоньше – добавить больше легирующей примеси к истоку и стоку. Физика процесса сложна, но представить её можно так: больше атомов примеси привносят больше свободных зарядов. При изобилии свободных переносчиков заряда электрическое взаимодействие между металлическими электродами и полупроводниковыми истоком и стоком усиливается. Это и помогает усиливать туннельный эффект.
К сожалению, с германием такая технология работает хуже, чем с кремнием. Материал не выдерживает больших концентраций легирующих примесей. Но мы можем использовать те места, где плотность примесей максимальна.
Для этого воспользуемся тем, что в современные полупроводники примеси добавляются сверхвысокими электрическими полями, заталкивающими ионы в материал. Некоторые из этих атомов сразу останавливаются, иные же проникают глубже. В результате вы получите нормальное распределение: концентрация атомов примесей на некоторой глубине будет максимальной, а затем при перемещении вглубь или в обратном направлении будет уменьшаться. Если мы заглубим электроды истока и стока в полупроводник, мы можем поместить их в места наивысшей концентрации атомов примеси. Это кардинально уменьшает проблему сопротивления контактов.
Контакты погружаются на глубину максимальной концентрации атомов примесей
Вне зависимости от того, будут ли производители чипов использовать такой подход для уменьшения барьера Шоттки в германии, это полезная демонстрация его возможностей. В начале нашего исследования лучшее, что показывали германиевые nFET, это токи в 100 мкА на каждый мкм ширины. В 2014 году на симпозиуме VLSI Technology and Circuits на Гавайях мы сообщили о германиевых nFET, способных пропускать уже в 10 раз больше тока, что примерно сравнимо с кремнием. Через шесть месяцев мы продемонстрировали первые контуры, содержащие германиевые nFET и pFET, необходимое предварительное условие для изготовления современных логических микросхем.
С тех пор мы использовали германий для постройки более продвинутых транзисторов, таких, как FinFET – современный уровень техники. Мы даже делали нанопроводные транзисторы на германии, которые в ближайшие годы могут заменить FinFET.
Эти разработки потребуются для того, чтобы германий стали использовать в массовом производстве, поскольку с их помощью можно лучше контролировать канал транзистора. Благодаря небольшой запрещённой зоне германия, такой транзистор требует всего четверти энергии, необходимой для переключения в проводящее состояние кремниевого транзистора. Это открывает возможности для низкоэнергетической работы, но это же делает более вероятной и утечку тока в то время, когда он этого делать не должен. Устройство с лучшим контролем над каналом позволит изготовителям использовать малую запрещённую зону без компромиссов с быстродействием.
Мы взяли хороший старт, но у нас ещё есть работа. Например, необходимы дополнительные эксперименты с подложками, которые должны показать транзисторы с высококачественными германиевыми каналами. Также необходимо внести улучшения в дизайн для ускорения.
Конечно, германий – не единственный вариант для транзисторов будущего. Исследователи продолжают изучать составы A III B V , которые можно использовать как вместе с германием, так и обособленно. Количество возможных улучшений транзисторов огромно. В этот список входят транзисторы на углеродных нанотрубках , вертикально ориентированные переключатели, трёхмерные контуры, каналы из смеси германия и олова, транзисторы, основанные на принципе квантового туннелирования.
В ближайшие годы, возможно, мы адаптируем какие-то из перечисленных технологий. Но добавление германия – даже в смеси с кремнием – это решение, которое позволит производителям продолжать улучшение транзисторов уже в ближайшем будущем. Германий, изначальный материал эры полупроводников, может стать панацеей её следующего десятилетия.
Теги:
- транзисторы
- германий
В настоящее время все более широкое применение в качестве основных ключевых приборов для мощной преобразовательной техники находят приборы на основе карбида кремния – мощные диоды Шоттки и MOSFET транзисторы. Карбид-кремниевая технология привнесла значительные усовершенствования в производство MOSFET, что сделало их конкурентами кремниевым IGBT-транзисторам, особенно в области высоких напряжений.
Рассмотрим 1200-В 4H-SiC MOSFET. В данном транзисторе используется высококачественная подложка, улучшено качество эпитаксиального слоя, оптимизирована конструкция под процесс производства. Также, посредством азотирования, увеличена подвижность носителей. Карбид-кремниевый транзистор превосходит кремниевые транзисторы за счет расширенной запрещенной зоны. Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой, увеличилась в 10 раз, улучшилась теплопроводность, а, следовательно, возросли рабочие температуры. При использовании в полупроводниках с максимально допустимым рабочим напряжением 600 В и выше, карбид кремния также превосходит кремний. На сегодня 600-В и 1200-В карбид-кремниевые диоды Шоттки являются наилучшим решением в повы-шающих преобразователях. За счет более низких потерь на переключение по сравнению с кремниевыми PiN-диодами.
Если же речь идет о силовых ключах, то кремниевые MOSFET уступают 600- и 1200-В IGBT-транзисторам прежде всего из-за значительного сопротивления канала в открытом состоянии (RDSON), которое увеличивается пропорционально квадрату максимально допустимого напряжения сток-исток (VDSMAX). Сопротивление RDSON можно рассматривать как совокупность сопротивлений RJFET и RDRIFT (рис. 1).
Рис.1. Эквивалентная схема DMOSFET.
При этом сопротивление RDRIFT, отражающее дрейф свободных носителей, доминирует и его величина определяется следующим соотношением:
RDRIFT = d/qμND, где d — толщина дрейфового слоя; q — заряд электрона; ND — коэффициент легирования.
В новом поколении карбид-кремниевых MOSFET транзисторов толщина дрейфового слоя d уменьшена примерно в 10 раз; во столько же раз увеличен коэффициент N D . В результате сопротивление R DSON уменьшено почти в 100 раз по сравнению с его кремниевым аналогом.
ПРИМЕНЕНИЕ КАРБИД-КРЕМНИЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Применение приборов данного типа рассмотрим на примере 1200-В, 20-А транзистора с RDSON = 100 мОм и 15-В уровнем управления затвором. Помимо уменьшения сопротивления RDSON при нормальных условиях в карбид-кремниевых транзисторах значительно уменьшено влияние температуры. В диапазоне 25…150°С изменение сопротивления составляет всего лишь 20%, что является весьма малым значением по сравнению с аналогичным значением составляющим 200% или даже 300% у кремниевых MOSFET. В принципе карбид-Хотя максимально допустимую температуру серийных транзисторов (в основном размещаемых в пластмассовых корпусах ТО-247) ограничивают до 150°С, карбид-кремниевые транзисторы могут работать и при температуре свыше 200°С.
По сравнению с кремниевыми IGBT-транзисторами, карбид-кремниевые MOSFET имеют и существенно меньшие потери на коммутацию. MOSFET — униполярные приборы, поэтому не имеют «хвостов» при коммутации, обусловленных рассасыванием неосновных носителей. В таблице 1 отображены значения потерь на переключение обоих типов транзисторов.
Параметр | IGBT, 1200-B Infineon BSM 15 GD 120 | DMOSFET 1200-B CREE engineering |
Напряжение VDS, В | ||
Индуктивная | Индуктивная (500 мкГн) | |
Напряжение управления VGE, В | ||
Сопротивление затвора RG, Ом | ||
Потери энергии при включении (коммутируемый ток 10 А), ЕON, мДж | ||
Потери энергии при выключении (коммутируемый ток 10 А), ЕOFF, мДж | ||
Максимальный кпд, ή | ||
Евро-кпд* ήEUR0 |
Таблица 1. Потери на переключение кремниевых IGBT и карбид-кремниевых MOSFET.
Далее рассмотрим пример применения карбид-кремниевых MOSFET в трехфазных 7-кВт, 16,6-кГц инверторах солнечных батарей. Инвертор имеет топологию В6, разработанную в институте ISE, и использует конденсатор в цепи постоянного тока, соединяющийся с нейтральным проводом. На рисунке 2 показаны результаты сравнительных испытаний. Как видно из приведенных результатов, при использовании карбид-кремниевых транзисторов потери сокращаются почти в 2 раза. Значит уменьшается и температура теплоотвода: 93°С при использовании IGBT-транзисторов и 50°С — при использовании карбид-кремниевых MOSFET.
Рис.2. Сравнение потерь в 1200-В MOSFET и IGBT
Преимущества использования карбид-кремниевых MOSFET в фотоэлектрических преобразователях:
– низкая стоимость индуктивных компонентов. Размеры индуктивных компонентов зависят от частоты преобразования. Их стоимость уменьшается примерно на 50% при увеличении частоты преобразования в 2—3 раза. С увеличением частоты преобразования увеличивается и частота третьей гармоники, а уменьшить мощность третьей гармоники частотой 150 кГц гораздо проще, чем частотой 50 кГц;
– более низкие требования к теплоотводу. Использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет уменьшить их температуру на 50%, что приведет к уменьшению размеров и, соответственно, стоимости всего изделия приблизительно на 5% в нашем примере;
– увеличение прибыли за счет сокращения потерь энергии.
На рисунке 3 показана стандартная схема трехфазного выпрямителя с изолированным DC/DC-преобразователем с коммутацией при нулевом токе. В качестве ключей S1, S2 в испытаниях были использованы 1200-В, 25-А IGBT-транзисторы, 1200-В, 40-А IGBT-транзисторы и 1200-В, 25-А карбид-кремниевые MOSFET. Результаты работы системы на максимальную нагрузку 3 кВт приведены на рисунке 4. Как видно, при работе с MOSFET КПД системы увеличивается на 2,2%. Корпус MOSFET имеет меньшую температуру: на 25°С ниже, чем 40-А IGBT и на 36°С ниже чем у 25-А IGBT.
Рис. 3. Трехфазный 3-кВт инвертор с большей величиной коэффициента мощности и с прямоходовым преобразователем Рис. 4. График изменения КПД в зависимости от выходной мощности при частоте преобразования 67 кГц.
Выше были показаны достоинства 1200-В MOSFET. Однако и при более высоких напряжениях — 6,5 кВ и даже выше карбид-кремниевые транзисторы также имеют преимущества перед их кремниевыми аналогами. Недавно был разработан 10-кВ, 10-А карбид-кремниевый MOSFET. При напряжении управления затвором 20 В и токе через канал 10 А падение напряжении на открытом канале составляет всего лишь 4,1 В, что эквивалентно сопротивлению 127 мОм/см2. Утечка тока сток-исток составляет 124 нА при напряжении 10 кВ.
В ходе проведения сравнительного эксперимента было установлено, что, при работе на индуктивную нагрузку, потери на переключение в карбид-кремниевом транзисторе в 200 раз меньше, чем в 6,5-кВ IGBT! Задержка включения составляет всего лишь 94 нс, а задержка на выключение — 50 нс; у IGBT — 1,4 мкс и 540 нс соответственно!
При использовании 10-кВ карбид-кремниевых MOSFET и диода Шоттки в повышающем преобразователе (входное напряжение — 500 В, выходное — 5 кВ) КПД 600-Вт преобразователя составил 91%. По итогам произведенных расчетов установлено, что та же схема с обычным кремниевым MOSFET могла бы работать лишь с частотой всего несколько сотен Гц. На рисунке 5 показаны графики токов и напряжений при выключении MOSFET. Из рисунка видно, насколько быстро протекают переходные процессы в приборе.
Рис. 5. Процесс коммутации 10-кВ карбид-кремниевого MOSFET при частоте 20 кГц и мощности преобразователя 600 Вт.
При возросшем интересе к альтернативным источникам энергии карбид-кремниевая технология имеет широкие перспективы. За счет снижения потерь мощности применение карбид-кремниевых транзисторов является привлекательным в фотоэлектрических преобразователях, а также в преобразователях генераторов энергии из органического топлива в будущем.
Диоды Шоттки на основе карбида кремния (SiC) и транзисторы с диодом Шоттки компании CREE
Компания СREE (www.cree.com) – ведущий разработчик и производитель полупроводниковых изделий на основе широкозонных полупроводников: карбида кремния (SiC), нитрида галлия (GaN) и их соединений.
Продукция компании CREE развивается в четырех направлениях:
• Диоды Шоттки ZERO RECOVERY®;
• СВЧ транзисторы;
• SiC-кристаллы;
• Светодиоды.
Карбид кремния
Все уникальные свойства полупроводниковых приборов компании CREE определяются свойствами карбида кремния:
Карбид-кремниевые приборы способны функционировать при высоких температурах, высокой мощности, устойчивы к радиации. Все это определяет далеко идущие перспективы этого полупроводникового материала и приборов на его основе. Карбид кремния обладает рядом преимуществ по сравнению с другими полупроводниками (кремний, арсенид галлия):
• Ширина запрещенной зоны больше в 2-3 раза;
• Напряженность поля электрического пробоя больше в 10 раз;
• Способность работать при высоких температурах, вплоть до +600°С;
• Теплопроводность в 3 раза больше теплопроводности кремния и почти в 10 раз больше чем у арсенида галлия;
• Устойчивость к воздействию радиации;
• Термо- и временная стабильность электрических характеристик.
Все эти замечательные свойства в совокупности делают карбид кремния полупроводниковым материалом ближайшего будущего.
Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает работу при высоких температурах и в сочетании с очень высокой теплопроводностью при очень больших плотностях тока. Большая величина критической напряженности поля лавинного пробоя, в сочетании с высокой скоростью дрейфа и довольно высокой подвижностью электронов позволяет значительно улучшить все основные характеристики приборов силовой электроники.
Диоды Шоттки ZERO RECOVERY®
Компанией выпускаются диоды Шоттки на основе карбида кремния с напряжением до 1200В и током до 20А.
Главное преимущество высоковольтных SiC-диодов Шоттки (ДШ) состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления (Qrr) этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл) и, как результат, – минимальны потери на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN диодов, скорость нарастания тока (di/dt) не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С.
Компанией CREE выпускается небольшой спектр SiC-диодов Шоттки, который состоит из трех групп: ДШ на напряжение 300, 600 В и 1200В.
Диоды Шоттки выпускаются компанией CREE в стандартных пластмассовых корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.
Преимущества применения SiC-диодов
Диоды Шоттки компании CREE находят применения в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих диодов оправдывает себя при работе на повышенных частотах и напряжениях и делает экономически выгодными их использование.
Благодаря уникальным свойствам SiC-диодов, они могут работать на частотах вплоть до 500 кГц, обеспечивая высокую эффективность устройств порядка 92%.
При работе на высоких частотах уменьшаются габариты индуктивностей примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что может позволить сэкономить на сетевом фильтре.
Уменьшение размера и веса электронных систем первоначально обусловлено требованием рынка на возрастающую плотность мощности. Для того, чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности системы, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания этой системы. В этом смысле SiC-диоды обладают рядом замечательных свойств:
• Очень малым (практически нулевым!) временем восстановления основных носителей заряда при переключениях;
• Более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;
• Высокая температура функционирования до +175°С;
• Высокая частота переключения, до 500кГц, что уменьшает размер фильтра электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов.
• Уменьшение, либо исключение активных или пассивных демпферных цепей.
• Положительный температурный коэффициент прямого падения напряжения позволяет осуществлять параллельное включение диодов без дополнительных компенсирующих цепей.
IGBT-транзистор с карбидокремниевым диодом Шоттки
IGBT-транзистор с внутренним диодом Шоттки разработан с целью уменьшения стоимости и увеличения эффективности инверторов. Основные применения – это источники бесперебойного питания, преобразователи солнечной энергии и электроприводы.
Новый прибор CID150660 – это IGBT транзистор с параллельным диодом Шоттки на основе карбида кремния. Диод обладает рабочим напряжением 600В и током 6А. Кремниевый IGBT транзистор рассчитан на ток 15А. Транзистор производится компанией International Rectifier.
Это первый компонент из семейства комбинированных устройств компании Cree, отличающийся меньшим уровнем потерь при переключении IGBT транзистора на 50% и меньшим значением общих потерь инвертора на 25%.
По сравнению с традиционными кремниевыми pn-диодами, диоды Шоттки на основе SiC и комбинированные компоненты с их использованием имеют меньший уровень коммутационных помех, более высокие рабочие частоты и высокую удельную мощность. Это достигается за счет того, что у данных диодов полностью отсутствует эффект накопления заряда в n-области и, поэтому, отсутствует эффект обратного восстановления.
Основные параметры транзистора CID150660 компании CREE:
• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер {V(BR)CES} 600В;
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер {VCE(on)} 1,8В;
• Постоянный ток коллектора, при TС=250С {IC} 31A;
• Постоянный прямой ток диода, при TC=250С {IF} 19A;
• Максимальная температура перехода {TJ(max)} 1500С;
• Мощность рассеяния, при TC=250С {Ptot} 208Вт;
• Корпус TO-220-3.
Скачать в PDF
Модульные МОП-транзисторы из карбида кремния для зарядки электромобилей
ON полупроводник анонсировала пару модулей MOSFET 1200-PACK с полным карбидом кремния (SiC) на 2 В, что еще больше расширит ассортимент продукции компании, подходящей для рынка электромобилей (EV).
Когда дело доходит до рынка инфраструктуры электромобилей, требования быстро развиваются, требуя, чтобы уровни мощности превышали 350 кВт, а эффективность 95% становилась «нормой». Учитывая разнообразие сред и мест, в которых используются эти зарядные устройства, компактность, надежность и повышенная надежность считаются критически важными.
Эти новые модули на 1200 В M1, полностью SiC MOSFET, 2 блока, основанные на планарной технологии и подходящие для привода напряжение в диапазоне 18-20 В, просты в управлении с отрицательным напряжением затвора. Более крупная матрица снижает тепловое сопротивление по сравнению с канавкой МОП-транзисторы, снижение температуры матрицы при той же рабочей температуре.
Сконфигурированный как полумост из 2 пакетов, NXH010P120MNF представляет собой устройство на 10 МОм, размещенное в корпусе F1, а NXH006P120MNF2 – устройство на 6 МОм в корпусе F2. Пакеты оснащены запрессовываемыми штифтами, что делает их идеальными для промышленного применения, а встроенный термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) облегчает контроль температуры.
Как часть экосистемы зарядки электромобилей ON Semiconductor, новые модули SiC MOSFET были разработаны для работы вместе с такими драйверами, как устройства NCD5700x. Недавно представленный драйвер затвора с двухканальным изолированным IGBT / MOSFET NCD57252 предлагает гальваническую развязку 5 кВ и может быть сконфигурирован для работы в двух режимах: низком, высоком или полумостовом.
NCD57252 размещен в небольшом корпусе с широким корпусом SOIC-16 и принимает входные сигналы логического уровня (3.3 В, 5 В и 15 В). Сильноточное устройство (источник 4.0 A / сток 6.0 A при напряжении плато Миллера) подходит для высокоскоростной работы, так как типичные задержки распространения составляют 60 нс.
Эти новые модули и драйвер затвора дополняют кремниевые МОП-транзисторы ON Semiconductor, которые обеспечивают превосходные характеристики переключения и улучшенные тепловые характеристики по сравнению с аналогичными кремниевыми устройствами.
Недавно анонсированные SiC MOSFET на 650 В используют новую конструкцию активных ячеек в сочетании с передовой технологией тонких пластин, что обеспечивает лучшую в своем классе добротность (FoM) для области (RDS (on) *). Устройства этой серии, такие как NVBG015N065SC1, NTBG015N065SC1, NVh5L015N065SC1 и NTh5L015N065SC, предлагают самый низкий уровень RDS (вкл.) На рынке полевых МОП-транзисторов D2PAK7L / TO247.
N-канальные SiC MOSFET на 1200 В и 900 В имеют небольшой размер микросхемы, что снижает емкость устройства и заряд затвора (Qg – до 220 нКл), уменьшая коммутационные потери при работе на высоких частотах, необходимых для зарядных устройств электромобилей.
Аналитика – научно-технический журнал – Материалы тега
Аналитика – научно-технический журнал – Материалы тега – карбид кремния Книги по аналитикеТег “карбид кремния”
Аналитика #3/2021А. А. Семенов, А. В. Лизунов, А. В. Глебов, Ф. В. Макаров, Л. А. Карпюк
Перспективы использования нитрида кремния, модифицированного изотопом азот-15 высокого обогащения, при изготовлении оболочек ТВЭЛов DOI: 10.22184/2227-572X.2021.11.3.208.217 Рассмотрены свойства керамик на основе нитрида кремния и композитов на основе нитрида и карбида кремния. Отмечена важность создания новых материалов для оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) вместо циркониевых сплавов, которые могут вступать в реакцию с парами воды, создавая взрывоопасные смеси на основе водорода. Приведен опыт АО «ВНИИНМ» по созданию новых материалов на основе карбида кремния для изготовления оболочек ТВЭЛов и показана возможность использования для этой цели смешанных композитов на основе карбида и нитрида кремния, модифицированного обогащенным изотопом азот-15. Рассмотрены перспективы создания крупномасштабного производства азота-15 для атомной энергетики как компонента смешанного нитридного уран-плутониевого топлива и возможность его использования при изготовлении оболочек ТВЭЛов из SiC / Si3N4 композита. Наноиндустрия #7-8/2018
А.Афанасьев, В.Ильин, В.Лучинин, А.Михайлов
Газофазная эпитаксия – ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния Рассмотрены особенности применения и возможности газофазной эпитаксии в технологии изготовления силовых вертикальных МДП-транзисторов на основе 4H–SiC при формировании дрейфовой области прибора и оптимизации электрофизических свойств канала транзистора. С технологической точки зрения ключевыми элементами для создания карбидокремниевых компонент силовой электроники, определившими возможность создания электронной компонентной базы (ЭКБ) силовой электроники на 4H–SiC, являются технологии объемного и эпитаксиального роста. Улучшение технологии эпитаксиального роста наряду с улучшением качества подложек сделало возможным изготовление приборных структур, демонстрирующих преимущества карбида кремния как базового материала силовой электроники по сравнению с другими полупроводниками. DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.488.497 Электроника НТБ #7/2018
Н. Брюхно, В. Громов, И. Куфтов, М. Степанов, А. Фроликова
Отечественные карбидокремниевые диоды Шоттки на токи до 10 А и напряжения 1 200 В В ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» в г. Брянске выпускаются карбидокремниевые диоды Шоттки на коммутируемые токи 2, 5, 10 А и напряжения 1 200 В. Рассмотрены особенности конструкции, технологии. Приведены основные параметры карбидокремниевых диодов Шоттки в диапазоне температур от –60 до 125 °С. DOI: 10.22184/1992-4178.2018.178.7.80.82 УДК 621.382.2 | ВАК 05.27.00 Наноиндустрия #8/2017
А.Афанасьев, В.Вьюгинов, Н.Гладков, А.Зыбин, В.Ильин, В.Клевцов, В.Кутузов, В.Лучинин, В.Попов
Импортозамещение карбидокремниевой ЭКБ. Стратегическое партнерство СПбГЭТУ “ЛЭТИ” и ПАО “Светлана” В рамках решения задачи импортозамещения с целью обеспечения технологической независимости и безопасности государства реализовано стратегическое партнерство СПбГЭТУ “ЛЭТИ” и ПАО “Светлана” в области организации отечественного технологического маршрута изготовления ЭКБ на основе карбида кремния. УДК 621.382, ВАК 05.27.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.79.8.50.59 Наноиндустрия #3/2017
Ф.Макаров, А.Пономаренко, Р.Захаров, И.Дзюбинский, С.Иванов, А.Глебов, М.Лебедев
Создание труб-оболочек твэлов из композиционных материалов на основе карбида кремния Авария на АЭС в Фукусиме в 2011 году показала особую опасность паро-циркониевой реакции, возникающей при повышении температуры оболочек твэлов из-за потери теплоносителя. В связи с этим особую актуальность приобрели программы по разработке новых материалов твэлов, устойчивых к авариям такого рода и способных существенно повысить безопасность атомных реакторов. УДК 621.039.548, ВАК 05.14.03, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.73.3.60.67 Электроника НТБ #8/2016
М.Червинский
Мощные светодиоды компании CREE: особенности технологии Представлены новые серии мощных светодиодов XLamp: XHP35, XHP50, XHP70 и XP-G3. Описываются особенности технологии SC5. Наноиндустрия #4/2016
В.Лучинин
Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ “ЛЭТИ” Наиболее востребованной технологической возможностью при создании приборов на SiC по абсолютно доминирующей эпитаксиальной технологии является смена типа легирующей примеси в ростовом реакторе без его “разгерметизации” непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Имеющийся у ЛЭТИ современный эпитаксиальный реактор позволяет реализовать данный процесс, включая автоматическую загрузку подложек. DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.40.50 Наноиндустрия #3/2016
В.Лучинин
Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ “ЛЭТИ” Разработка в Ленинградском электротехническом институте метода выращивания объемных монокристаллов карбида кремния (метод ЛЭТИ) является международно-признанным научно-технологическим прорывом, определившим переход к промышленной технологии изготовления ЭКБ на карбиде кремния (SiC) во всемирной практике. Применение карбида кремния в создании приборов оптоэлектроники, СВЧ-электроники и, безусловно, силовой электроники определяется экстремальными характеристиками данного широкозонного полупроводника по теплопроводности, критической напряженности электрического поля и дрейфовой скорости носителей заряда, устойчивости к воздействию высоких температур, химически агрессивных сред и радиации. DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.78.89 Электроника НТБ #1/2016
М.Черных
Выбор конструктивно-технологических параметров мощных СВЧ MESFET-транзисторов на основе карбида кремния Рассмотрены ключевые факторы, определяющие выбор конструктивно-технологических параметров мощных СВЧ MESFET-транзисторов на основе SiC. Выполнена оценка влияния этих параметров на величину паразитных емкостей MESFET-транзисторов. Электроника НТБ #4/2015
А.Брыкин, А. Артемов, Д. Арсеньева
Электроконденсационный метод синтеза кремния, углерода и карбида кремния В статье рассмотрены особенности электроконденсационного метода синтеза кремния, углерода и карбида кремния, не требующего сложного и дорогостоящего оборудования и позволяющего снизить затраты, улучшить экологические показатели и безопасность производства. Проводится сравнение с другими известными способами получения этих материалов.
ON Semiconductor анонсирует новые полевые МОП-транзисторы из карбида кремния на 650 В
03.03.2021
Превосходное переключение и повышенная надежность обеспечивают повышение плотности мощности в различных сложных приложенияхКомпания ON Semiconductor, продвигающая инновации в области энергоэффективности, анонсировала новую линейку полевых МОП-транзисторов из карбида кремния (SiC) для требовательных приложений, в которых плотность мощности, эффективность и надежность являются ключевыми факторами. Заменив существующие технологии кремниевой коммутации новыми устройствами SiC, разработчики добьются значительно большей производительности в таких приложениях, как бортовые зарядные устройства (OBC) электромобилей (EV), солнечные инверторы, серверные блоки питания (PSU), телекоммуникации и источники бесперебойного питания.
Новые автомобильные SiC-МОП-транзисторы AECQ101 и промышленный класс на 650 вольт (В) от ON Semiconductor основаны на новом материале с широкой запрещенной зоной, который обеспечивает превосходные характеристики переключения и улучшенные термические характеристики по сравнению с кремнием. Это приводит к повышению эффективности на уровне системы, повышенной плотности мощности, уменьшению электромагнитных помех (EMI) и уменьшению размера и веса системы.
Новое поколение SiC MOSFET использует новую конструкцию активных ячеек в сочетании с передовой технологией тонких пластин, обеспечивающей лучший в своем классе показатель качества Rsp (область Rdson*) для напряжения пробоя 650В.
NVBG015N065SC1, NTBG015N065SC1, NVh5L015N065SC1 и NTh5L015N065SC1 имеют самый низкий Rdson (12 мОм) на рынке в корпусах D2PAK7L и To247. Эта технология также оптимизирована с учетом показателей потерь энергии, оптимизируя производительность в автомобильных и промышленных приложениях. Внутренний резистор затвора (Rg) дает разработчикам большую гибкость, устраняя необходимость искусственно замедлять работу устройств с помощью внешних резисторов затвора. Повышенная устойчивость к скачкам и лавинам, а также устойчивость к коротким замыканиям способствуют повышенной прочности, что обеспечивает более высокую надежность и более длительный срок службы устройства.
Комментируя новые версии, Асиф Джаквани, старший вице-президент подразделения Advanced Power в ON Semiconductor сказал: «В современных энергетических приложениях, таких как бортовые зарядные устройства (OBC) для электромобилей и других приложений, включая возобновляемые источники энергии, корпоративные вычисления и телекоммуникации, эффективность, надежность и удельная мощность — постоянные проблемы для проектировщиков. Эти новые SiC MOSFET значительно улучшают производительность по сравнению с аналогичными технологиями кремниевой коммутации, что позволяет инженерам решать эти сложные задачи проектирования. Повышенная производительность обеспечивает более низкие потери, что повышает эффективность и снижает потребности в управлении температурой, а также снижает EMI. Конечным результатом использования этих новых SiC MOSFET является компактное, легкое, более эффективное и надежное решение для электропитания».
Новый материал для силовой электроники | Энерговектор
С тех пор как автомобильная компания Tesla начала использовать в главном инверторе своих авто силовые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), остальные производители электромобилей двинулись в том же направлении. Разработки электронных приборов на карбиде кремния резко ускорились, открывая замечательные перспективы для самых разных отраслей: новые полупроводники востребованы в авиации, космосе и энергетике.
В силовой электронике карбид кремния конкурирует с кремнием и арсенидом галлия. Кремний имеет множество неоспоримых достоинств. Он работает при напряжениях до 600 вольт, надёжен, недорог, прочен и обладает неплохими частотными характеристиками. Арсенид галлия также очень сильный конкурент (если брать латеральную кристаллографическую ориентацию), выдерживающий напряжения в 600-700 вольт. Однако карбид кремния легко обходит обоих соперников по рабочему напряжению – он выдерживает 950 вольт и даже больше.
Транзисторные модули на основе карбида кремния в инверторе Tesla Model 3Транзисторные модули на основе карбида кремния в инверторе Tesla Model 3
В случае электромобильного рынка речь идёт в основном о величинах порядка 650 вольт. Такое напряжение используется в тяговом инверторе, в преобразователях постоянного тока, в бортовом зарядном устройстве и быстрых зарядных станциях. Эти приложения открывают для карбида кремния огромный рынок, стимулируемый переходом на чистую энергию и электрификацией транспорта, которую задумали многие правительства. Так что силовые полупроводниковые приборы на основе карбида кремния ожидает блестящее будущее.
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОДЗа последние четверть века полупроводниковые компании сделали немалые инвестиции в производство силовых приборов на карбиде кремния. Сегодня доступна мелкосерийная продукция, её начали встраивать в аппаратуру, получая реальный прирост эффективности.
Стоимость карбидокремниевых электронных приборов довольно велика, из-за чего многие разработчики не хотят иметь с ними дела. Надёжность приборов уже подтверждена – на эту тему проведено множество исследований, а вот над максимально допустимым временем короткого замыкания ещё нужно поработать, чтобы догнать кремниевые транзисторы. При этом немаловажно организовать обучение инженеров – разработчиков аппаратуры, чтобы они смогли полностью задействовать потенциал приборов из нового полупроводникового материала.
Главные его преимущества – большая ширина запрещённой зоны, высокое напряжение пробоя и отличная теплопроводность – позволяют увеличить рабочую частоту импульсных преобразователей и, как следствие, сократить размеры применяемых пассивных компонентов и устройств. Широкая запрещённая зона транслируется в хорошую устойчивость к высоким температурам (читай: в возможность упростить системы охлаждения). В конечном счёте, используя электронные приборы на основе карбида кремния, вы сможете построить более эффективные преобразователи напряжения.
ЦЕНА ВОПРОСАВыход годных SiC-транзисторов пока оставляет желать лучшего, так что стоят они дорого. Много лет главной проблемой с карбидом кремния были микротрубки в структуре монокристалла. На сегодня эти дефекты устранены, как и некоторые другие нарушения кристаллической решётки. Но остаётся одна серьёзная проблема – смещения базальной плоскости, ухудшающие характеристики электронного прибора. Эти смещения можно попробовать корректировать на этапе эпитаксии. В последние два года выяснилось, что базальная плоскость может смещаться при очистке подложки после ионной имплантации. В данный момент инженеры вплотную занимаются этим вопросом. Когда он будет решён, выход годных вырастет и цена транзисторов снизится.
Сейчас электронный прибор на основе карбида кремния обходится в среднем в три раза дороже, чем эквивалентный кремниевый. Причина не только в существенной доле брака. Сам материал очень тугоплавок – слиток нужно выращивать из расплава при температуре свыше 2700 °C, используя крупную заготовку. Перекристаллизация слитка методом зонного расплавления для устранения дефектов невозможна. Отмечу, что сегодня от 55 до 70% стоимости SiC-транзистора составляют производство пластин и эпитаксия. Не удивительно, что конкурировать с дешёвыми кремниевыми приборами, у которых подложки практически не имеют дефектов, ему очень сложно.
В настоящее время несколько научных коллективов пытаются разработать энергоэффективные методы производства бездефектных монокристаллических заготовок из карбида кремния. Кроме того, на цены влияют объём производства и диаметр пластин. При переходе от 150- к 200-миллиметровым пластинам можно резко увеличить число одновременно изготавливаемых транзисторов.
Здесь хороши любые технологические инновации, но важно помнить, что покупка силовых приборов – не самоцель. Вы приобретаете их для того, чтобы встроить в систему, и тот факт, что карбид кремния позволяет существенно повысить рабочую частоту импульсных преобразователей, означает возможность уменьшить размеры катушек индуктивности, конденсаторов и других пассивных компонентов, а следовательно – габариты и массу устройства и в конечном итоге снизить его стоимость. При этом общая экономия может оказаться выше, чем цена полупроводниковых ключей. Нужно учесть также и экономию энергии за весь 20- или 25-летний срок службы системы. Так что хотя производственная технология ещё не доведена до совершенства, полупроводниковые приборы на основе карбида кремния уже занимают сильные конкурентные позиции на рынке.
ГДЕ ПРОИЗВОДИТЬНаладить массовый выпуск новых силовых приборов проще всего на имеющихся кремниевых фабриках, которых немало по всему миру. Часть технологических процессов можно будет оставить как есть, а часть – доработать под новый материал. Например, допускается только сухое травление. Кроме того, сам материал очень твёрдый. Одна из главных проблем – легирование полупроводника. Диффузионное легирование не проходит, возможна только ионная имплантация при очень высоких температурах, иначе придётся применять мощный поток ионов, который может разрушить кристаллическую решётку. А после ионной имплантации потребуется отжиг при 1600-1800 °C. Всё это новые техпроцессы.
Следующий момент – создание контактов. Нанося металл на полупроводник с широкой запрещённой зоной, вы получаете диод Шоттки. Поэтому нужно принять меры против образования p-n-перехода. Ещё одна большая проблема – подзатворный диэлектрик для полевых транзисторов. В целом для дооснащения кремниевой фабрики специфическим оборудованием и адаптации технологии потребуется от 10 до 15 миллионов долларов. К счастью, для силовых электронных компонентов не нужны самые новые технологии – сгодится фабрика, построенная два-три десятилетия назад, со старым технологическим оборудованием. Если всё будет сделано правильно, вы получите от массового производства неплохой эффект.
КАК ИСПОЛЬЗОВАТЬПросто установить в электронную схему прибор на карбиде кремния вместо кремниевого нельзя – выигрыша не будет. Модули SiC способны работать при высоких напряжениях, так что потребуется хорошая изоляция. Ещё нужно позаботиться об охлаждении. Карбид кремния обладает отличной теплопроводностью, но если вы не задействуете его на полную мощность, то пожертвуете эффективностью. Поэтому необходим хороший теплоотвод, желательно сразу с обеих сторон кристалла. При этом вам потребуются плоские подводящие шины с минимальной индуктивностью, поскольку речь идёт о высоких частотах.
Пилотный инвертор мощностью 250 кВт, позволяющий подключить солнечную электростанцию к сети 3 кВ без применения трансформатораПилотный инвертор мощностью 250 кВт, позволяющий подключить солнечную электростанцию к сети 3 кВ без применения трансформатора
В сравнении с авторынком сектор инверторов для домашних солнечных панелей невелик. Тем не менее он тоже играет значительную роль. Но настоящий прорыв ожидается на высоких напряжениях – это такие приложения, как микросети, ветропарки и солнечные электростанции, которые, например, можно подключать напрямик к распределительным сетям 10 кВ.
Силовые полевые SiC-транзисторы уже опробованы в инверторах на 6,5 кВ, на 10 кВ и даже на 15 кВ, созданы модули биполярных транзисторов с изолированным затвором. Они позволят кардинально упростить подключение ВИЭ-генераторов к электрическим сетям.
Об авторе: Виктор Велиадис – директор Института производственных технологий силовой электроники при Департаменте энергетики США.
__________________________________
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.
Изучение плюсов и минусов карбида кремния (sic): новый MOSFET от кри
Изучение плюсов и минусов полевых транзисторов из карбида кремния (SiC): новый MOSFET от кри
Вот краткий обзор плюсов и минусов полевых транзисторов из карбида кремния с использованием MOSFET C3M0075120K от Cree в качестве эталона.
В этой статье речь идет о полевом транзисторе карбида кремния. Я думаю, что мы все знакомы с кремниевыми полупроводниками, но что это за карбид кремния »// www.electronicproducts.com/Power_Products/Power_Semiconductors/Silicon_carbide_MOSFETs_Superior_switching_technology_for_power_electronics_applications.aspx” target = “_ blank”> Информация от Cree-компании, которая создала первый SiC MOSFET – указывает, что SiC имеет три основных преимущества перед кремнием:
- более высокое критическое поле пробоя
- более высокая теплопроводность
- более широкая запрещенная зона
Более высокое критическое поле пробоя позволяет поддерживать заданный номинальный уровень напряжения при уменьшении толщины устройства, а меньшая толщина означает меньшее сопротивление на выходе. Более высокая теплопроводность соответствует более высокой плотности тока, а более широкая запрещенная зона приводит к снижению тока утечки при высоких температурах. Суть в том, что, если вы используете транзистор для переключения, и вы можете иметь дело с серьезными сильными токами или напряжениями, SiC стоит посмотреть.
Четыре штыря?
Мы привыкли к трехконтактным транзисторам – базе, сборщику, эмиттеру для BJT и затвору, дренажу, источнику для MOSFET. Но быстрый взгляд на таблицу данных для C3M0075120K показывает тревожную дивергенцию от нормы.
Все изображения использовали любезно предоставлены Wolfspeed
Как вы можете видеть, у нас есть два источника терминалов: «источник драйвера» и «источник питания». Источник драйвера, по существу, является опорным терминалом для схемы, управляющей затвором. Если драйвер затвора ссылается на то же заземление, которое принимает ток нагрузки, индуктивность на пути нагрузки-тока может привести к неприятной обратной связи. Если терминал-источник-драйвер используется в качестве эталона для схемы драйвера, отрицательный эффект индуктивности уменьшается (или, возможно, в основном устраняется – я действительно не уверен, насколько эффективен метод).
Недостатки
SiC MOSFETs не кажутся мне особенно распространенными. Это относительно новая технология, поэтому, вероятно, это часть объяснения. Но я не удивлюсь, что некоторые дизайнеры избегают их, потому что они часто не стоят проблем. Преимущества производительности SiC неоспоримы, но каковы недостатки?
Ну, стоимость одна из них, но я больше думаю о сложности схемы. Последний абзац в этой заметке приложения от Wolfspeed («компания кри») дает вам хорошее представление о некоторых проблемах. Тот, который выделяется для меня, – это необходимость в 20-вольтовом приводе с смещением от -2 В до -5 В.
Еще одна интересная деталь связана с запрещенной зоной SiC. Широкая полоса пропускания приводит к высокому прямому напряжению для диодов SiC, и поэтому вы должны быть осторожны, опираясь на диод корпуса в SiC MOSFET, – в случае C3M0075120K падение прямого напряжения составляет около 4 В!
Тем не менее, сосредоточение внимания на негативе здесь несколько ниже. Вы не должны смотреть на устройства SiC, если вы можете выполнить работу со стандартным полевым транзистором или BJT или IGBT. SiC вступает в игру, когда вам действительно нужно максимизировать производительность, и, если вы в этой ситуации, вы, вероятно, готовы справиться с недостатками.
Спекуляции
Следующий график передает текущие возможности C3M0075120K. Мы говорим о серьезном токе здесь.
Поэтому, когда напряжение утечки на источник (V DS ) низкое, максимальный ток ограничен сопротивлением на входе, которое составляет около 75 мОм с напряжением затвор-источник (V GS ) 15 В. При умеренный V DS, часть может фактически выдерживать 100 А в течение коротких периодов времени.
Это хорошая возможность напомнить себе, что сопротивление на уровне штата зависит от V GS . Если вам нужен низкий R DSon, вам нужно больше напряжения от источника к источнику питания, и даже со стандартными полевыми транзисторами это часто означает какое-то устройство зарядного насоса, так что вы можете увеличить напряжение затвора выше направляющей.
Теоретическое пороговое напряжение для C3M0075120K составляет ~ 2, 5 В, но обратите внимание на то, как приведенный выше график даже не беспокоит V GS ниже 11 В. Дело в том, что если вы хотите низкое сопротивление на входе (и в сильноточных приложениях, вы это делаете), вам нужно пройти выше типичного порогового напряжения.
Температура, температура, температура
В заключение я остановлюсь на одной из моих любимых тем электроники: спецификации в техническом описании ничего не помогут, если ваш транзистор горит. Вам необходимо учитывать соответствующие термические условия и убедиться, что ваше устройство сможет поддерживать приемлемую температуру перехода. И помните, чтобы сойти с ума!
Есть ли у вас опыт работы с SiC-транзисторами? Не стесняйтесь делиться какой-либо полезной информацией в комментариях.
650 В | 25 мОм | Gen 3 | 97 A | 09 112 nC | 326 Вт | 175 ° C | TO-247-4 | Да | Промышленное | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
650 V | 09 45 мΩ Поколение 3 | 49 A | 63 нКл | 101 пФ | 176 Вт | 175 ° C | TO-247-3 | Да | 1Промышленное | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
650 В | 45 мОм | Поколение 3 | 900 09 49 A | 63 нКл | 101 пФ | 176 Вт | 175 ° C | TO-247-4 | Да | Промышленное | 0|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
650 В | 120 мОм | Поколение 3 | 22 A | 28 nC | 45 пФ | 98 W | 1 175TO-247-3 | Да | Промышленное | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
650 В | 120 мОм | A Gen 3 | 900 26 нКл | 45 пФ | 86 Вт | 175 ° C | TO-263-7 | Да 9001 1 | Промышленный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
650 В | 120 мОм | Поколение 3 | 22 A | 28 nC | 45
|
