Мощни полупроводникови прибори от GaN и SiC

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2012

Стефан Куцаров

     Все повече са приложенията, в които полупроводниковите прибори от силиций и повечето от съединенията от групата А3В5 са на границите на своите възможности по отношение на максималната разсейвана мощност и на съчетаването й с работа при честоти от гигахерцовия обхват. Първото има основно значение в реализацията на захранващи устройства, а второто – на комуникационни системи. Това е причината за ускореното навлизане в практиката през последните години на прибори на основата на известните отдавна полупроводници галиев нитрид (GaN) и силициев карбид (SiC). В статията накратко се изясняват основните свойства и предимства на тези полупроводници, разглеждат се серийно произвеждани прибори на тяхна база заедно с такива, които все още са лабораторни разработки и се дават характерните им области на приложение.

Прибори от GaN
GaN като полупроводник. Той е от типа А3В5 и в сравнение със Si има с 54% по-голяма специфична топлопроводност (Thermal Conductivity). Това означава, че при еднаква структура на прибори от двата полупроводника, тези от GaN ще имат по-малко топлинно съпротивление Rth и при дадена разсейвана мощност върху тях PD ще се нагряват по-малко. Още по-важно е, че приборите от GaN достигат определена температура при по-голяма PD. Пробивното напрежение на GaN е над 10 пъти по-голямо от това на Si. От една страна, това е предпоставка за реализацията на високоволтови прибори, а от друга – за създаването на прибори с дадено максимално напрежение чрез по-тънки слоеве, през които електроните преминават за по-кратко време, т. е. работа на приборите от GaN до по-високи честоти в сравнение със силициевите. За последното допринася и по-голямата (с около 25%) максимална скорост на електроните (Saturation Velocity) през полупроводника. Всичко това е в основата на реализацията на мощни прибори от GaN за работа при високи честоти, например мощни усилватели в гигахерцовия обхват. Описаните свойства същевременно позволяват създаването на ключови стабилизатори с работни честоти няколко десетки MHz, което означава по-малки индуктивности на бобината и трансформатора и капацитет на изходния кондензатор, и съответно намаляване на размерите и теглото. Недостатък на GaN е 2 до 3 пъти по-високата засега цена на приборите от него, но независимо от това, според множество прогнози, се очаква бързо нарастване на обема на производство на прибори от GaN.

Диоди. Съществуват два основни вида. Първият са диоди на Шотки за токоизправители (Schottky Rectifier) с основни предимства големите плътности на тока и обратно напрежение VR. Освен това, при преминаване от отпушено в запушено състояние нежеланият отскок на обратния ток е поне 2 пъти по-малък в сравнение със силициевите диоди. Засега те продължават да са основно предмет на лабораторни разработки, целящи подобряване на технологията на реализация и структурата им. Има лабораторни образци с VR = 9,7 kV, но основните усилия са насочени към диоди с VR = 600 V. За създаването на такива (серията TPS2010PK, TPS2011PK и TPS2012PK с максимален ток Imax, съответно 6 А, 4 А и 2 А) съобщи американската компания Transphorm. С тях са реализирани експериментално повишаващи ключови стабилизатори с к.п.д. над 99%, които заедно със схемите за корекция на cosj (Power Factor Correction) PFC са сред основните приложения на GaN диоди. До края на 2012 г. японският производител Powdec K.K. предвижда да пусне диод със същото VR, който има 100 пъти по-малко съпротивление в отпушено състояние от класическите мощни Si диоди. Единственият предлаган на пазара диод е VSD04060B на Velox Semiconductor с VR = 600 V и Imax = 4 A в корпус ТО-220АВ. При този ток напрежението върху диода е 1,9 V.

Вторият вид са сините LED с типична структура от няколко слоя, съдържащи GaN върху подложка от сапфир (Al2O3), но има и зелени LED също на основата на GaN. Най-важно е не непосредственото приложение на сините LED, а че те се използват за получаване на бяла светлина чрез преминаване на синята през слой от луминофор. Поради масовото разпространение на белите LED, значението на GaN за реализацията на светодиоди е много голямо. Това се вижда от фиг. 1, която показва производството на LED от GaN в световен мащаб в милиарди USD (по ординатата) и областите на приложението им. Към това следва да се прибавят и сините лазерни LED от GaN, които се използват в Blue Ray устройствата.

Транзистори с хетеропреход. Те са преобладаващата част, като освен многобройните лабораторни разработки има и значително количество прибори в серийно производство. По своята същност те представляват транзистори с голяма подвижност на електроните (High Mobility Electron Transistor) HEMT, които на базата на други полупроводници отдавна масово се използват при честоти над 1 GHz. Най-често срещаното наименование е GaN HEMT транзистори. Идея за основната им структура е дадена на фиг. 2а, като подложката е от сапфир или SiC. Първият материал е по-евтин, но има около 10 пъти по-малка топлопроводност от SiC, което определя приложението му в транзистори с не особено голяма мощност. Следва тънкият буферен слой, върху който е слоят от GaN без примеси (собствен полупроводник). Една от важните особености е наличието в горната му част на тънък слой с голямо количество свободни електрони, които могат да се движат в две взаимно перпендикулярни посоки (Two-Dimensional Electron Gas) 2-DEG. Резултатът е наличието между сорса и дрейна на канал с много малко съпротивление Ron и, съответно, осигуряване на голям дрейнов ток при сравнително малка PD. Практическият резултат от това е получаването на по-големи изходни мощности от GaAs транзистори и, съответно, намаляване на броя на стъпалата на усилвател с дадена изходна мощност. Преходният слой е полупроводник от типа AlGaN, като между него и GaN се образува хетеропреход. В нормален режим на работа хетеропреходът е запушен, поради което действието е като на класически полеви транзистор с PN преход (JFET) – транзисторът се запушва при праговото напрежение VGS(th), което е отрицателно, а символичното означение на тези транзистори е както на JFET. Пасивиращият слой (показано е, че е от SiN, но се използват и други материали) се поставя главно за увеличаване на максималния ток на дрейна IDmax и максималното обратно пробивно напрежение VBR с няколко десетки процента. Изводите на сорса S и дрейна D са омични контакти, докато този на гейта е Шотки контакт, т. е. представлява преход метал-полупроводник. Дължината на гейта е между 0,25 mm и 5 mm, а дебелината й е 50-150 mm, докато разстоянието между сорса и дрейна е 2 mm до 7 mm. Една от типични конструктивни реализации на S, D и G (Multiple Finger Gate) е показана на фиг. 2б.

За получаване на дадена изходна мощност структурата на транзисторите е по-малка от съответния транзистор от GaAs, което означава по-малки паразитни капацитети и възможност за работа до по-високи честоти на транзисторите от GaN.

Основното приложение е като мощни свръхвисокочестотни (СВЧ) транзистори (UHF Transistor). В каталозите им се дават три групи параметри, най-съществените от които са следните.

Максимално допустими параметри (Absolute Maximum Ratings): напрежение на пробив дрейн-сорс VBR, максимална изходна мощност Po, максимален ток на дрейна IDmax, максимална температура на кристала TJ и топлинно съпротивление кристал-корпус RthJC. Като неписано правило Ро е част от наименованието на транзисторите.
Постояннотокови параметри – освен споменатото VGS(th), параметър е препоръчваната за работа негова стойност VGSQ, максималното напрежение дрейн-сорс VDSS и препоръчваното работно напрежение VDS. Последното понякога също е част от наименованието на транзистора.

Променливотокови параметри:
- Работен честотен обхват (Bandwidth) BW.
- Изходна мощност на насищане (Saturation Output Power), която не може да бъде надхвърлена независимо от увеличаването на входната мощност.
- Максимална изходна мощност, която е с 1 dB по-малка от тази в идеален линеен режим (1 dB Compression Point) P1dB. В някои каталози се дава мощността с 3 dB по-малка, но и в двата случая това означава, че усилвателят е престанал, макар и с малко, да е линеен. На практика, това е мощността Ро, изразявана във W или в dBm.
- Коефициент на усилване по мощност при малък сигнал (Small Signal Gain) GSS.
- Коефициент на полезно действие (Drain Efficiency, Power Aided Efficiency) PAE.

Не трябва да се забравя, че както при всички СВЧ транзистори, в таблици се дават реалната и имагинерната част на четирите S-параметъра за набор от честоти.

В табл. 1 са дадени характерни примери за описания тип транзистори, като трябва да се обърне внимание, че максималната температура на прехода е между 200 и 250 °С, което означава по-малки изисквания към охлаждането в сравнение с класическите мощни транзистори на основата на GaAs и подобни съединения. Производителят Freescale Semiconductor дава първоначални данни за транзистора AFG25HW355S за обхвата 2,3-2,7 GHz с пикова мощност не по-малка от 400 W и захранващо напрежение 48 V.

Сравнително рядко се произвеждат чипове (без корпус) на GaN транзистори, които се предоставят на други производители за корпусиране или вграждане в хибридни интегрални схеми (ИС). Два примера са дадени в последните редове на табл.1, като външният вид на този от ред 12 е показан на фиг. 3 и сходството му с фиг. 2б е очевидно.

MOS транзистори. Тяхната структура (фиг. 4) е подобна на транзисторите с хетеропреход, а в действието участва електрическото поле, създадено от гейта, както при класическите NMOS транзистори. Една от разновидностите е с поведение както на NMOS транзистори със собствен канал – при нулево и малко отрицателно напрежение гейт-сорс са отпушени и се запушват при достигане на праговото отрицателно напрежение VGS(th). Такъв транзистор е използван в модула iP2010 на International Rectifier. Модулът съдържа и драйвер за транзистора и е предназначен за ключови стабилизатори с входно напрежение 7-13,2 V, а в изхода се осигурява напрежение между 0,6 V и 5,5 V при максимален изходен ток 30 А. Може да работи с честоти до 3 MHz, което намалява размерите на бобината и изходния кондензатор на стабилизатора. Размерите му са 7,7x6,5x1,7 mm.

Втората разновидност има поведение на NMOS транзистор с индуциран канал, поради което транзисторите се отпушват при положително прагово напрежение VGS(th). Примери за такива, реализирани като чипове, са дадени в табл. 2. Не се използва параметърът максимална разсейвана мощност PDmax, а само IDmax и RON, тъй като тя е квадратът на тока по RON.

Основните приложения на GaN NMOS транзистори са в ключови стабилизатори и усилватели на мощност за звуковъзпроизвеждане, тъй като имат значителни паразитни капацитети и, съответно, не могат да работят до толкова високи честоти, както транзисторите с хетеропреход. За тези и други приложения важни параметри са максималният импулсен ток на дрейна IDPmax, който е в случай на единичен импулс с продължителност няколко стотици ms (дава се в каталога), паразитните капацитети и натрупваното количество (заряд) между електродите в статичен режим. Даденият Ciss (Input Capacitance) в табл. 2 e сумата на капацитетите гейт-сорс и гейт-дрейн, а QG (Total Gate Charge) е сумата на зарядите върху тези капацитети. Управлението на този тип транзистори има някои особености в сравнение с класическите мощни NMOS транзистори, поради което вече се произвеждат ИС на специализирани драйвери. Пример е LM5113, реализация на Texas Instruments и National Semiconductor, предназначена за захранване на полумостови схеми. Управляващите й входове работят с TTL нива, а на захранваните транзистори може да се подава напрежение до 100 V и ток до 5 А.

Усилватели. Те са едно- и по-рядко двустъпални, като за увеличаване на Ро понякога се свързват успоредно 2 или 3 транзистора. Както и при други типове СВЧ усилватели, постояннотоковото захранване се осигурява през изхода и входа с цел намаляване на броя на изводите и, съответно, на паразитните капацитети. Едно типично свързване е дадено на фиг. 5, като бобината на входния филтър не позволява променливото входно напрежение да отива към източника на постояннотоково захранване VGG, а кондензаторът разделя постоянното напрежение от източника на входен сигнал. Аналогично е предназначението на елементите на изходния филтър.

По принцип усилвателите с GaN транзистори са предназначени за гигахерцовия обхват (СВЧ усилватели), като някои са постояннотокови, а други са предназначени за определен честотен обхват (често някой от стандартните обхвати). Като структура усилвателите представляват монолитни микровълнови ИС (Monolithic Microwave Integrated Circuits) MMIC. Специфична особеност е предназначението на част от тях за радари, където работят в импулсен режим (Pulsed Power GaN HEMT Amplifier). Освен използваните в транзисторите параметри VDS, VDSS, PAE, TJ, RthJC, VGS(th) и VGSQ има и няколко допълнителни. Като Ро се използва мощността в линеен режим при дадена входна мощност PIN, коефициентът GSS се отбелязва с S21, дава се и коефициентът на усилване по мощност GP, при който е в сила Ро и параметрите коефициент на отражение от входа (Input Return Loss) S11 и коефициент на отражение от изхода (Output Return Loss) S22. Те показват с колко dB отразената от входа на усилвателя (т. е. върната към източника) мощност е по-малка от PIN и, съответно, отразената от товара и върната в изхода на усилвателя. Колкото стойността им в dB (с отрицателен знак) е по-голяма по абсолютна стойност, толкова по-добър е усилвателят и свързванията му с източника на сигнал и товара.

В табл. 3 са дадени основните параметри на MMIC на усилватели.
Приложения. Една от големите области на приложение е за безжични връзки в клетъчни мрежи и според стандартите WiMAX, W-CDMA и LTE. Други приложения са в радари (включително за морски съдове), за измервателни (например за тестване на електромагнитната съвместимост) и военни апаратури, за широколентови и свръхшироколентови усилватели с общо предназначение и за специални цели, за двупосочни радиовръзки (2-Way Private Radio), линейни усилватели за OFDM, EDGE и CDMA, спътникови връзки, драйвери за оптични линии и др.

Прибори от SiC
SiC като полупроводник. От многобройните разновидности на кристалната структура на SiC с електронните прибори основно приложение са намерили 4H-SiC и 6H-SiC, като това на първия е значително по-голямо. Широчината на забранената зона е около 3еV, а специфичната топлопроводност е над 3 пъти по-голяма от тази на Si, което определя предимство спрямо GaN при реализацията на мощни полупроводникови прибори. Поради това по принцип приборите от SiC ще могат да работят до температура на кристала 600 °С при 200 °С на приборите от Si. Същевременно пробивното напрежение на 4H-SiC е с около 40% по-голямо от това на GaN, а на 6H-SiC – с около 15%. И не на последно място, съпротивлението в отпушено състояние на прибори от 4H-SiC е около 100 пъти по-малко от това на приборите от Si. Резултатът е възможността за създаване на високоволтови мощни прибори с по-малка PD, а за получаване на дадена мощност приборите от SiC ще са с по-малки размери. Около половината от произвежданите днес прибори от SiC се използват в транспортни средства, 19% в LED (като основа на излъчващия полупроводник), 16% в системи за нагряване и охлаждане и 14% в комуникационни устройства.

Диоди. Засега това са най-масово разпространените прибори от SiC, като практически изцяло са диоди на Шотки (Junction Barrier Schottky, JBS, Schottky Barrier Diode, SBD) на основата на 4H-SiC. Важно предимство е, че върху отпушения диод се натрупва много малък електрически заряд (Total Capacitive Charge) QC (дава се като основен параметър), поради което запушването става много по-бързо (намаляват загубите при превключване) и при него има малък обратен ток. Това е причината някои производители да наричат мощните си диоди Zero Recovery Rectifier. Съществено е да се прибави, че според изследвания на компанията Cree след работата на 4 типа диоди в продължение на 127.109 часа се е оказало, че на всеки 2,5.109 часа се е повреждал по един диод, което показва много по-голяма надеждност в сравнение със Si диодите. И не на последно място, цената на диодите на същия производител е намаляла 2,4 пъти в периода от началото на 2005 г. до края на 2008 г.

В табл. 4 са дадени основните параметри на SiC диоди, не малка част от които се предлагат като чипове. Има също два диода в един корпус и четири за мостов токоизправител. Напреженията VDC, VRSM и VRRM са максимално допустимите, съответно, постоянно (DC Blocking Voltage), обратно на единичен импулс (Surge Peak Reverse Voltage) и обратно на повтарящи се импулси (Repetitive Peak Reverse Voltage). Трите тока в права посока IF, IFSM и IFRM също са максимално допустимите постоянен (Forward Current), единичен импулс (Non-Repetitive Peak Forward Surge Current) и на повтарящи се импулси (Repetitive Peak Forward Surge Current). Напрежението в права посока VF зависи от IF, а обратният ток IR обикновено е при напрежението VDC. Едно от масовите приложения на SiC диодите е в добре известното свързване между дрейна и сорса на мощните NMOS транзистори в инвертори, най-вече такива за слънчеви панели.

Полеви транзистори с PN преход (JFET). Идея за структурата им е дадена на фиг. 6а, като за разлика от класическите JFET съществуват две разновидности. При първата приборите са отпушени при нулево напрежение VGS (Normally-On) и работят с положително и отрицателно VGS, като се запушват при достигане на максималната стойност VGS(th) на последното. Приборите от втората разновидност (Normally-Off) са запушени при VGS=0 и за отпушването им е необходимо определено положително VGS(th), над което се осигурява нормалната им работа. Съществена особеност е, че при отпушването им протича ток на гейта (Gate Forward Current) IGFWD, който зависи от VGS. И двете разновидности работят с положително напрежение дрейн-сорс (Drain-Source Voltage) VDS, но издържат и отрицателни негови стойности, давани в техническата документация.

Примери за транзистори са дадени в табл. 5, като в колоната “модел” с OFF и ON е означена тяхната разновидност. При ползване на схеми с тези транзистори трябва да се внимава, тъй като имат едно и също символично означение – даденото на фиг. 6б или това на класически JFET. С BVDS е означено максимално допустимото напрежение дрейн-сорс (Drain-Source Blocking Voltage), ID е максималният постоянен ток на дрейна (Continuous Drain Current), a IDM е максималната му импулсна стойност (Pulsed Drain Current). Тези транзистори работят само като ключове, което определя важността на параметрите им при включване и изключване (Switching Characteristics). От тях в табл. 5 са дадени времената на включване (Turn-on Delay) ton и изключване (Turn-off Delay) toff и енергиите Turn-on Energy (Eon) и Turn-off Energy (Eoff), необходими за съответната смяна на състоянието.

Приложенията на SiC JFET са във високоволтови ключови стабилизатори и UPS устройства, в захранването на електродвигатели, за инвертори на PV панели, висококачествени аудио устройства (даденият в ред 2 на табл. 5), устройства за индукционно нагряване, блокове за корекция на cosj, хибридни и електрически автомобили и др.

NMOS транзистори. Те също се използват като мощни ключове със сравнително малки загуби и възможност за работа при по-високи честоти в сравнение с приборите от Si. Един пример за това е даден на фиг. 7а, която представлява сравнение на класически IGBT с NMOS транзистор от SiC, като по абсцисата е честотата и по ординатата – PD във W. Действието, характеристиките и символичните им означения са както на класическите NMOS транзистори с индуциран канал. Засега компанията Cree произвежда транзисторите CMF10120D и CMF20120D с BVDS=1200 V, ток ID, съответно, 24 А и 33 А и RON, равно на 160 mW и 80 mW, а ROHM – транзистора SCT2080KE със същото BVDS, ID = 35 A и RON = 80 mW. Приложенията са подобни на мощните JFET, като най-често са в ключови стабилизатори и управление на електродвигатели.
При работата на класически NMOS транзистори с индуктивен товар, успоредно на последния се свързва диод (Free Wheeling Diode) FWD, който при запушване на транзистора дава накъсо възникващото върху товара обратно напрежение. При използване за целта на диод от SiC той е с по-малки загуби (намалява се PD на комбинацията транзистор-диод) и се увеличава работната честота. Предлагат се модули, съдържащи класически NMOS транзистор и свързан с него FWD от SiC. Такива модули са MKE11R600DCGFC на IXYS с VDS=600 V и ID=15 A (схемата на фиг. 7б) и няколко на Microsemi, например APTC60DAM18CTG със същото VDS, но ID=143 A.
Биполярни транзистори. Те са по-скоро в етап на разработване, но компанията Fairchild Semiconductor чрез придобитата от нея TranSiC пусна на пазара първия мощен транзистор BITSIC-1206 с напрежение VCEO=1200 V, ICmax=6 A, hFE=35 и максимална температура на кристала 225 °С. Специфичните предимства на този тип транзистори са по-малкото напрежение на насищане (в цитирания транзистор 0,8 V при колекторен ток 4 А) и намаляване на времето за преминаване от наситено в запушено състояние. Очакваните приложения са в електронни схеми за работа при високи температури, например управление на машини за индукционно нагряване, захранване на електродвигатели и за DC-DC преобразуватели.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top