Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 162 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

162 3. Силовые полупроводниковые приборы

	высокая нагрузочная способность по току и	3.7.9. Карбид кремния — основа
	малые потери при переключении.	мощных приборов
	Приборы компенсационного типа пол-	Большинство производимых на сегод-
	ностью удовлетворяют обоим этим требова-
		няшний день полупроводниковых прибо-
	ниям. В результате они открывают новые
		ров изготовлены на основе кремния. Он
	возможности для компактных устройств.
		подходит для производства как однополяр-
	Это сказывается на импульсных источни-
		ных, так и биполярных приборов. Однако
	ках питания для серверов и систем связи, с
		при постоянно возрастающих требованиях
	постоянно увеличивающимися плотностя-
		к силовым полупроводниковым приборам,
	ми мощности, а также на устройствах, пита-
		в которых должны сочетаться высокие бло-
	ющихся от батарей, в которых, например,
		кирующие напряжения и высокие скорости
	зарядное устройство может быть встроено в
		переключения, приборы на основе кремния
	вилку.
		скоро достигнут пределов	своих возмож-
	Более того, становится возможным сов-
		ностей.
	местить разные приборы в одном корпусе.
		Поэтому, начиная с 90-х годов прошлого
	Например, контроллер и силовой ключ мо-
		века, объектом исследований стали полу-
	гут быть совмещены в одном корпусе для
		проводниковые приборы на основе карбида
	получения интеллектуального устройства,
		кремния (SiC). Первые SiC-диоды Шоттки
	так называемой «системы в корпусе». На
		появились на рынке в 2001 году. Благодаря
	Рис. 3.142 представлен пример такой систе-
		значительно меньшим статическим и дина-
	мы. Обычный прибор (показан слева) имеет
		мическим потерям эти приборы могут ра-
	потери 3 Вт и требует наличия средств ох-
		ботать с более высокими по сравнению с
	лаждения. Прибор на основе технологии
		приборами на основе кремния плотностями
	CoolMOS™ (показан справа) имеет значи-
		мощности.
	тельно меньшие потери, составляющие все-
	го 1 Вт, и работает без дополнительного ох-	Физические характеристики
	лаждения.
		Кристаллическая решетка карбида крем-
		ния состоит из параллельных слоев атомов
		кремния и углерода. Из-за сильной элект-
		ронной связи между обоими видами атомов
		материал имеет очень высокую механичес-
		кую прочность. В этой решётке каждый
		атом кремния связан с четырьмя атомами
		углерода в тетраэдальную структуру, и на-
		оборот. Из-за близкого расположения ато-
		ма кремния по отношению к центру данной
		структуры появляются двойные слои из
		атомов кремния и углерода. В зависимости
		от взаимной ориентации и последователь-
		ности упаковки атомов этих сдвоенных сло-
		ёв получаются различные стабильные типы
		кристаллических структур — политипные
		модификации. Известно до 200 различных
		политипов, с различными параметрами ма-
		териала (см. Табл. 3.10).
		Кроме кубической и	гексагональной
		структуры карбида кремния, которые явля-
		ются наиболее распространенными, суще-
	Рис. 3.142. Сравнение двух системных реше-	ствуют различные промежуточные формы.
		Наиболее известными являются 3С-форма
	ний.	с кубической структурной решеткой и 4H-

и 6H-формы с гексагональной решеткой. В данном случае числовой префикс обозначает количество атомных слоев внутри каж-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 163 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 163

Таблица 3.10. Характеристики карбида кремния

Параметр	Si	GaAs	6H-SiC	4H-SiC
EG, эВ	1.12	1.42	3.02	3.26
Ecrit., В/см	3.0 105	4.2 105	25 105	22 105
ni, 1/см–3	1.4 1010	1.8 106	1.6 10–6	5 10–9
' , см/с	1 107	1 107	2 107	2 107
sat,n
* , см2/(В с)	1500	8500	400	1000
n
* , см2/(В с)	450	400	101	115
p
r	11.9	13.1	9.7	9.7

дой постоянно повторяющейся структуры. Таким образом, для каждой из этих форм существуют различные области применения. Материалы со структурой 6H преимущественно используются в оптоэлектронике, а карбид кремния 4H — в силовой электронике.

Свойства карбида кремния

Из-за своей очень плотной кристаллической решётки карбид кремния имеет б=ольшую ширину запрещённой зоны, чем кремний, и более высокую пробивную напряжённость электрического поля, что позволяет получить ту же блокирующую способность для более тонких слоев полупроводниковых материалов.

WDrift =	2V BR	.	(1)
	Ecrit

В то же время меньшая толщина слоёв позволяет увеличить концентрацию легирующей примеси, поэтому карбид кремния очень хорошо подходит для использования в однополярных полупроводниковых приборах.

NDrift =	ε	0	ε	r	E 2
					crit	.	(2)
	2 q V BR

Омическое сопротивление зоны дрейфа определяется толщиной зоны и степенью легирования или напряжением пробоя и максимальной напряжённостью электрического поля:

	RDrift =	wDrift	=		4	V BR2		. (3)
		A μn q ND+		A μn εs Ecrit3

При том же значении блокирующего напряжения карбид кремния имеет в 10 раз более высокую пробивную напряжённость электрического поля, чем кремний, что позволяет использовать на два порядка

меньшую степень легирования и снизить на порядок толщину активного слоя (Рис. 3.143). Таким образом, можно получить в 300 раз меньшие сопротивления зоны дрейфа.

		]
		2	1.E-01
	Удельное сопротивление	открытом состоянии [Ом·см
			1.E-02
			1.E-03
			1.E-04			Si
						Sic
						GaAs
			1.E-05
			10	100	1000	10000
		в
				Блокирующее напряжение [В]

Рис. 3.143. Взаимосвязь между достижимым сопротивлением в открытом состоянии и блокирующим напряжением для различных материалов.

Следствием низкой концентрации собственных носителей заряда является то, что даже при очень высоких температурах обратные токи утечки очень малы. Таким образом, карбид кремния хорошо подходит для использования в приборах, работающих при высокой температуре окружающей среды. Кроме того, высокая теплопроводность обеспечивает хороший теплоотвод. Однако потенциал данных приборов пока не может использоваться полностью из-за ограничений в технологии сборки.

Приборы на основе карбида кремния

Меньшее сопротивление в открытом состоянии позволяет изготавливать диоды Шоттки, JFET и MOSFET с более высокими, чем ранее, блокирующими напряжениями. Они могут применяться в устройствах, работающих при более высоких напряжениях питания, в которых до недавнего времени использовались только биполярные

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 164 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

приборы на основе кремния. С появлением

роткого замыкания плеча моста в мостовых

карбид-кремниевых приборов блокирую-

схемах.

щие напряжения, при которых следует пе-

Скорость

разработки

карбидкремние-

реходить на применение биполярных крем-

вых приборов также определяется качест-

ниевых приборов, например p-i-n-диодов и

вом подложки. Дорогие технологии испаре-

IGBT, увеличились более чем до 2000 В.

ния твердых веществ для производства под-

При блокирующих напряжениях более 2 кВ

ложек и соответствующая плотность дефек-

сопротивление зоны дрейфа однополярно-

тов (микротрубок или линейных дефектов)

го прибора, изготовленного из карбида

затрудняют увеличение диаметра полупро-

кремния, также резко возрастает, поэтому

водниковых пластин. В середине 90-х годов

необходима биполярная инжекция носите-

прошлого века экономически целесообраз-

лей зарядов. Из-за большей ширины запре-

ным было производство пластин диаметров

щённой зоны диффузионное напряжение

1 дюйм.

биполярных p-n-переходов в карбиде крем-

Из-за постоянно растущих требований к

ния составляет примерно 2.7 В.

материалам для устройств оптоэлектроники

Почти все известные на сегодняшний

и силовой электроники, к 2000 году диа-

день структуры карбидкремниевых прибо-

метр пластин смогли увеличить до 3 дюй-

ров были вертикальными. В подложке тако-

мов. Однако высокая плотность дефектов

го прибора подвижность электронов всего

также ограничивает экономически целесо-

на 20% ниже, чем в приборах на основе

образную область применения этих прибо-

кремния. Однако непосредственно под по-

ров. Поэтому на рынке имеются приборы

верхностью она сильно снижается из-за

только с номинальным током в несколько

большой шероховатости поверхности, поэ-

ампер.

тому карбидкремниевые MOSFET с пла-

Карбидкремниевые диоды Шоттки

нарными затворами имеют очень большое

сопротивление канала. В то же время, более

Диоды Шоттки были первыми промыш-

высокие пробивные напряжённости элект-

ленно производимыми приборами, изго-

рического поля приводят к более значи-

товленными из карбида кремния. Они со-

тельным воздействиям на слой оксида за-

стоят из подложки, изготовленной из кар-

твора и снижают надёжность карбидкрем-

бида кремния, на которой выращен эпитак-

ниевых MOSFET.

сиальный слой полевой диафрагмы (Field

В настоящее время для изготовления

Stop) и область базы, определяющая харак-

транзисторов на основе карбида кремния

теристики прибора. Переход Шоттки вы-

используются два различных подхода. С од-

полнен на поверхности с использованием

ной стороны, применяют UMOS- и

подходящего

металла. Краевая

структура

VDMOS-структуры с вертикально или на-

формируется

методом

имплантации

клонно расположенным

затвором, чтобы

(Рис. 3.144).

использовать более высокую подвижность

носителей

заряда в

материале подложки.

КонтактJTE

Контакт

Толстый

КонтактJTE

С другой

стороны,

при

использовании

между

Шоттки

слой Al

между

структур IGBT и SIT можно полностью от-

облас-

облас-

казаться от слоя оксида затвора. Затвор бу-

тями

тями

p

p

дет встроен в прибор, и канал будет управ-

Эпитаксиальный n-слой дрейфа

ляться шириной зоны пространственного

заряда. Из-за своей канальной структуры

Эпитаксиальный n+-слой Field Stop

эти приборы будут проводить ток без пода-

чи управляющего напряжения на затвор.

Карбидкремниевая подложка

Такие приборы называются нормально от-

с высокой проводимостью

крытыми. Однако на сегодняшний день в

силовой электронике нормально открытые

приборы почти не используются. Причи-

Нижний контакт

ной является ограниченный выбор уст-

	164 3. Силовые полупроводниковые приборы	Рис. 3.144. Структура карбидкремниевого
	ройств управления, ненадёжность нормаль-	диода Шоттки.
	но закрытого состояния и связанный с этим
	больший риск, например, появления ко-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 165 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 165

Переход Шоттки. Если соединить два материала с различной работой выхода электрона, например металл и полупроводник, то образуется так называемый гетеропереход. Работа выхода электрона (т.е. q,u) — это энергия, которую необходимо передать электрону, чтобы он покинул узел кристаллической решётки металла. При контакте двух материалов из-за разницы работ выхода возникает искривление границ энергетических зон в полупроводнике, и создаётся зона пространственного заряда. Если работа выхода электрона в металле больше, чем в полупроводнике, то в полупроводнике n-типа формируется переход Шоттки.

При приложении положительного напряжения снижается высота потенциального барьера и становится возможным протекание тока. В этом случае перенос заряда осуществляется только основными носителями (Рис. 3.145).

	Прямое напряжение,			Обратное напряжение,
	проводящее состояние:			непроводящее состояние:
+		Va > 0	–	–	Va < 0	+
M				M
φ	S		EC	φ	S
g·	· φ			g ·	· φ
	g	g · Va	EF,S		g
				EF,M
EF,M					g · Va	EC
			EV
						EF,S
						EV

Металл Полупроводник Металл Полупроводник

Рис. 3.145. Переход Шоттки при воздействии положительного и отрицательного напряжения.

Из-за ступенчатого нарастания энергии зоны проводимости на переходе, модель диффузионных токов больше не может применяться для описания переноса зарядов. Характер тока преимущественно определяется термоионной эмиссией. Ток начинает протекать, как только кинетическая энергия отдельных носителей заряда будет достаточной для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Плотность тока определяется величиной потенциального барьера, внешним напряжением, температурой и

расчётной постоянной Ричардсона. Для полупроводников n-типа применимо следующее выражение:

				qφS			q V a
j	n	= A* T 2	e k T			e	k T	−1	,	(4)

где А — постоянная Ричардсона.

Из выражений (3) и (4) следует, что для одной и той же технологии изготовления приборов получение высоких блокирующих напряжений и низких сопротивлений в открытом состоянии возможно только при использовании приборов с большей площадью. Но в то же время б=ольшая площадь поверхности приводит к возрастанию обратных токов утечки.

Статический режим работы. В настоящее время можно получить кремниевые диоды Шоттки с блокирующим напряжением до 200 В. При более высоких напряжениях значение обратных токов возрастает настолько резко, что приводит к появлению высоких тепловых потерь. Блокирующие напряжения до 250 В можно получить при использовании диодов Шоттки с объединённым электродом. Для уменьшения максимальной напряжённости электрического поля около поверхности эти приборы состоят из перехода Шоттки и сети областей с противоположными типами примесей. В то же время, при помощи инжекции носителей заряда обоих типов, снижено сопротивление диода при протекании сверхтоков. Для более высоких блокирующих напряжений обычно используются биполярные p-i-n-диоды. У этих диодов в проводящем состоянии область базы заполнена носителями заряда обоих типов, уменьшающими сопротивление прибора. Но поскольку в процессе выключения прибора это большое количество носителей заряда должно быть выведено из него, возникают б=ольшие задержки и потери при переключении.

При использовании карбида кремния блокирующее напряжение для униполярных диодов Шоттки намного выше. В частности, из-за большей пробивной напряжённости электрического поля и меньших обратных токов существует возможность расширить диапазон используемого напряжения для диодов Шоттки до 2000 В. При этом параметры диодов могут быть подобраны таким образом, что их статические характеристики будут близки к характеристи-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 166 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

166 3. Силовые полупроводниковые приборы

кам кремниевых диодов того же класса напряжения (Рис. 3.146).

	12
	10
[А]	8
ток	6
Прямой
	4				SiC 25°C
					SiC 150°C
	2				Emcon 25°C
					Emcon 150°C
	0
	0	0.5	1	1.5	2	2.5	3
		Прямое напряжение [В]

Рис. 3.146. Сравнение вольт-амперных характеристик кремниевого p-i-n-диода (IDP06E60)

с напряжением 600 В и карбидкремниевого диода Шоттки (SDP06S60).

Поскольку диоды Шоттки являются униполярными, они имеют положительный температурный коэффициент, облегчающий параллельное соединение. Для рассматриваемого в данном случае диода сопротивление зоны дрейфа увеличивается пропорционально T(К)2.5, удваиваясь при изменении температуры от 25 до 125°С. Сопротивление зоны дрейфа при температуре 25°C составляет 40% от общего сопротивления прибора и возрастает при температуре 125°C до 70%. В то же время падение напряжения на барьере Шоттки снижается примерно на 1.6 мВ/К.

В соответствии с теорией термоионной эмиссии зависимость обратного тока от напряжения имеет экспоненциальный характер.

Если к прибору приложено рабочее напряжение порядка 400 В, то мы получим тепловую характеристику, сравнимую с аналогичной характеристикой кремниевого p-i-n-диода. Если блокирующее напряжение увеличить до 600 В, то, хотя обратный ток будет примерно в 20 раз выше, чем у кремниевого диода, из-за его малой величины эти потери будут намного меньше потерь в проводящем состоянии.

Динамические характеристики. Диоды Шоттки хорошо подходят для быстрой коммутации. Поскольку диоды Шоттки являются униполярными, ток в них переносится только электронами, при выключении не требуется рассеяние дополнительных заряженных частиц, прежде чем диод сможет

адаптироваться к обратному напряжению. Карбидкремниевый диод Шоттки ведёт себя как конденсатор с небольшой ёмкостью, зависящей от напряжения, поэтому потери, возникающие во время переключения, вызваны изменением заряда ёмкости. В этих приборах не существует выбросов обратного тока, в традиционном понимании, при нарастании напряжения можно увидеть только ток смещения (Рис. 3.147).

Ток [А] 10

8 SiC-диод Шоттки: SDB06S60

Si сдвоеный p-i-n-диод (2·300 В)

6		Сверхбыстродействующий Si p-i-n-диод

4

2

0 –2 –4

–6				T = 125°C, VDC = 400			В
–8
				IF = 6 A, di/dt = 200 A/мкс
–10
0.07	0.1	0.13	0.16		0.19	0.22	0.25
			Время [мкс]

Рис. 3.147. Сравнение характеристик переключения карбидкремниевых диодов Шоттки и биполярных кремниевых диодов.

Напротив, в биполярных кремниевых диодах при выключении возникает значительный выброс обратного тока из-за чрезмерного количества носителей заряда, которые должны быть рассеяны. Этот выброс сильно зависит от прямого тока, скорости выключения и температуры прибора. С другой стороны, характеристики выключения карбидкремниевых диодов Шоттки почти совсем не зависят от прямого тока и температуры.

Применение карбидкремниевых диодов Шоттки

С одной стороны, характеристики карбида кремния позволяют изготавливать быстро переключающиеся приборы с высокими блокирующими напряжениями. С другой стороны, дорогостоящие методы изготовления и количество дефектов, которое ещё достаточно велико по сравнению с приборами на основе кремния, ограничивают экономически целесообразную область применения этих приборов, в результате они могут работать в диапазоне токов

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 167 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 167

	+VIN		Трансфор-	Диод
	Q1	Q3		обратного
			матор	тока	Дроссель
		COSS	полумоста		фильтра
			COSS
		LR		CR1
		Управление A
	C1,IN
		Резонансный дроссель
			Управление B
	Q2	Q4		CR2	COUT
		COSS
			COSS
				–VOUT	+VOUT
	–VIN

Рис. 3.148. Применение SiC-диодов Шоттки для выпрямления вторичного напряжения.

до нескольких ампер. Таким образом, привлекательным является использование данных приборов в устройствах с напряжением более 300 В и диапазоном мощностей от 100 Вт до нескольких киловатт. Рассмотрим примеры применения.

В диапазоне напряжений от 250 до 300 В диоды Шоттки используются, главным образом, для выпрямления напряжения на вторичной стороне 48-В источников питания для систем связи (Рис. 3.148). В данном случае могут использоваться диоды Шоттки, изготовленные как из арсенида галлия, так и из карбида кремния.

Оба типа диодов имеют низкие потери на переключение. Однако арсенид галлия обладает меньшей теплопроводностью и более высоким температурным коэффициентом, чем карбид кремния, поэтому система с карбидкремниевыми приборами имеет меньшие статические потери (Рис. 3.149).

Карбидкремниевые диоды Шоттки с напряжением 600 В используются преимущественно в каскадах ККМ (корректор коэффициента мощности) современных импульсных источников питания. Источники питания с выходной мощностью более 75 Вт в обязательном порядке должны содержать устройство коррекции коэффициента мощности. По существу, это повышающий преобразователь, который распределяет энергию, полученную из питающей сети, в виде модулированного сигнала, соответствующего форме питающего напряжения (Рис. 3.150).

В результате снижается амплитуда импульсов помех, уменьшаются коэффициент гармоник и реактивная мощность. Раз-

SiC-диод Шоттки

GaAs-диод Шоттки

(300 В/10 А),

(250 В/10 А),

VF = 1.47 В (typ)

VF = 1.60 В (typ)

при +25°С

при +25°С

(макс. 1.7 В)

(макс. 2.2 В)

2.5

напряжения

(В)токе

Слабо легированный слой дрейфа

2

Контакт Шоттки

Подложка

падениеПрямое номин.при

1.5

1

0.5

0

SiC-

SiC-

GaAs-

GaAs-

диод

диод

диод

диод

Шоттки

Шоттки

Шоттки

Шоттки

при

при

при

при

+25 °С

+125 °С

+25 °С

+125 °С

Рис. 3.149. Распределение прямого падения напряжения в SiC- и GaAs-диодах Шоттки.

L1	D1
ККМ
	VOUT
	T1

Рис. 3.150. Пример использования карбидкремниевого диода в схеме ККМ.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 168 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

168 3. Силовые полупроводниковые приборы

личают режим непрерывного тока (Continuous Current Mode — CCM) и режим прерывистого тока (Discontinuous Current Mode — DCM). Несмотря на то что наибольшие динамические нагрузки на компоненты возникают при работе в режиме непрерывного тока, КПД и надёжность устройства при этом увеличиваются. Кроме того, при увеличении частоты переключения можно уменьшить размеры пассивных компонентов (Рис. 3.151).

	93
	91
	89
[%]	87
	85
КПД
	83	SiC-диод
	81
		Два последовательно
	79	включённых Si-диода (2·300 В)
	77	Сверхбыстродействующий
		Si-диод
	75
		100	200	300	400
		Частота переключения [кГц]

ККМ на основе повышающего преобразователя, работающий в режиме непрерывного тока: POUT = 400 Вт, VIN = ~ 85 В, SPP20N60C2

Рис. 3.151. Эффективность использования различных типов диодов в каскаде ККМ.

Диоды Шоттки на основе карбида кремния чрезвычайно хорошо подходят для данной области применения, поскольку их низкие статические и динамические потери позволяют использовать ключевые транзисторы меньших размеров, увеличить частоту переключения и, как следствие, способствуют дальнейшей миниатюризации.

Быстродействующие диоды на напряжение 1200 В применяются, главным образом, в устройствах управления электродвигателями и в блоках импульсных источников питания большой мощности, например в источниках бесперебойного питания (ИБП) для серверов (Рис. 3.152). Поскольку подавляющее большинство ИБП имеет схему удвоения напряжения на стороне сети, для них требуются диоды на напряжение 1200 В.

На сегодняшний день применение биполярных кремниевых диодов позволяет получить частоту переключения 20 кГц. При

	L1	D1		D2	L2
L		T1	T2
					C
N				D4
		T3
	L3	D3	T4

Повышающий/

понижающий

преобразователь

Рис. 3.152. Пример схемы ИБП.

использовании карбидкремниевых диодов Шоттки на напряжение 1200 В можно снизить динамические потери и увеличить частоту переключения, а также уменьшить размеры пассивных компонентов.

Карбидкремниевые транзисторы

По существу, из карбида кремния делают два типа транзисторов: MOSFET и JFET. То, что до недавнего времени карбидкремниевые MOSFET были не конкурентноспособны по сравнению с кремниевыми, хотя они являются нормально закрытыми (работают в режиме обогащения), обусловлено малой подвижностью канала планарной структуры затвора в карбиде кремния и неопределённостью в отношении прочности слоя оксида затвора при приложении электрических полей с высокой напряжённостью. В отличие от MOSFET, транзистор JFET на основе карбида кремния является нормально открытым (работает в режиме обеднения) и не имеет подзатворного оксида. Используя каскодную схему, состоящую из карбидкремниевого JFET и кремниевого MOSFET с низким блокирующим напряжением, можно создать схему с нормально закрытой характеристикой (Рис. 3.153). В данном случае конструирование по гибридной технологии едва ли требует б=ольших затрат, чем при однокристальной сборке.

Статические характеристики. Простейшая структура карбидкремниевого JFET, представленная на Рис. 3.153, имеет горизонтальный канал, который управляется верхним затвором и скрытым затвором.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 169 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 169

Сток

SiC VJFET,

Затвор

VBR ≥ 1200 В

Si MOSFET,

VBR = 60 В

Исток

Затвор

Исток

p++

n– эпитакси-

альный слой 2 n++

n– эпитаксиальный слой 1

n++

Сток

Рис. 3.153. а — гибридная каскодная схема, состоящая из карбидкремниевого JFET и кремниевого MOSFET; б — структура карбидкремниевого JFET.

В этом случае сопротивление канала со стороны истока уменьшается при помощи дополнительной импалантации n-типа. Основной ток протекает вертикально вниз к выводу стока, расположенному на обратной стороне кристалла. Прямое соединение с выводом затвора на верхней стороне кристалла позволяет избежать появления больших сопротивлений вывода затвора. Для блокирующих напряжений 1500 В такая конфигурация позволяет получить сопротивление в открытом состоянии на единицу площади не более 15 мОм см2.

Динамические характеристики. Благодаря подходящим свойствам карбида кремния как основного материала, динамические характеристики каскодного включения с JFET, изготовленным из карбида кремния, главным образом определяются характеристиками кремниевого MOSFET. Чтобы гарантировать надёжное выключение JFET-каскодов, блокирующее напряжение кремниевого MOSFET должно быть больше, чем напряжение отсечки канала карбидкремниевого JFET. Выходная ёмкость карбидкремниевого JFET-каскода резко падает в точке, соответствующей напряже-

нию отсечки карбидкремниевого JFET. При напряжениях ниже напряжения отсечки JFET, зависимость ёмкости от напряжения определяется ёмкостью исток — сток кремниевого MOSFET (Рис. 3.154).

	1×104
				#5 Fa = 4.5 мм2 (SiCED)
				#6 Fa = 2.8 мм2 (SiCED)
				#5 Экстраполяция
[пФ]	1×103			#6 Экстраполяция
Ёмкость	1×10	2
			Каскод в IXYS i4 Pack
			COSS при 1 МГц
	101
		1	10	100	1000
			Напряжение исток—сток [В]

Рис. 3.154. Влияние различных площадей поверхности кристалла на выходную ёмкость 1500-В карбидкремниевого JFET-каскода.

Эту зависимость также можно наблюдать по характеристикам отключения карбидкремниевого JFET-каскода. Используя MOSFET разного поколения, можно наглядно показать влияние различных времён задержки на характеристику тока при отключении (Рис. 3.155).

Ток [А]	Напряжение [В]
1.2

			VDS JFET
0.9	ID		800
	t3 > t2	> t1	BUZ 100L Ciss = 2.8 нФ
0.6			BUZ 100S Ciss = 1 9 нФ
			OptiMOS Ciss = 0.6 нФ
0.3			400

0				0
0	200	400	600	800
		Время [нс]

Рис. 3.155. Влияние различных типов кремниевых MOSFET на характеристики переключения 1500-В карбидкремниевого JFET-каскода.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 170 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

170 3. Силовые полупроводниковые приборы

Таким	образом, карбидкремниевый		MOSFET всего одним карбидкремниевым
JFET-каскод позволяет получить малые			ключом; таким образом, можно уменьшить
времена переключения при больших бло-			сложность схемы и увеличить удельную
кирующих напряжениях, сравнимые с вре-			мощность (Рис. 3.156).
менами	переключения	кремниевых

MOSFET, имеющих значительно меньшее			D1	L1
блокирующее напряжение.	+	T1		+

Применение карбидкремниевых JFET-

каскодов

Классической

областью

применения

Вход

C1

Выход

D2

униполярных

высоковольтных

приборов

являются вспомогательные источники пи-

Q1

тания для устройств управления электро-

двигателями, в которых используются сов-

C2

ременные кремниевые MOSFET на напря-

–

–

жение 1500 В. Эти транзисторы можно за-

Рис. 3.156. Эквивалентная схема одноключе-

менить карбидкремниевыми JFET-каско-

вого резонансного прямоходового преобразо-

дами без изменения топологии схемы.

вателя всего с одним 1500-В транзистором.

Кроме того, поскольку исторически по-

лучение дешёвых высоковольтных транзис-

Поэтому на рынке силовой электроники

торов было затруднительно, были изобрете-

постоянно увеличивается доля карбидкрем-

ны мостовые схемы, в которых применя-

ниевых приборов. По сравнению с кремни-

лись несколько транзисторов с блокирую-

евыми приборами, они имеют

меньшие

щим напряжением, составляющим полови-

размеры и обеспечивают снижение потерь.

ну или

даже

менее

от

требуемого.

С учётом низкой собственной концентра-

Например, градиент напряжения на тран-

ции носителей заряда карбидкремниевые

зисторе в схемах с одним ключом обычно в

приборы также хорошо подходят для при-

2…3 раза больше входного напряжения, и,

менения при высоких температурах. Но из-

таким образом, требуются мощные ключи

за ограничений, накладываемых

сбороч-

со значительно более высоким номиналь-

ным производством, на сегодняшний день

ным напряжением. При увеличении блоки-

может быть использован не весь потенциал

рующего напряжения традиционного крем-

этих приборов. Приведённые примеры по-

ниевого силового MOSFET увеличивается

казывают, что хотя номинальные токи, ко-

его сопротивление в открытом состоянии,

торые могут быть получены при использо-

что является причиной низких КПД.

вании карбида кремния, до сих пор ограни-

2

5.93 10

−9

чивают применение данных приборов в си-

RDrift =

4 V BR

=

V BR2.5

(Si) .

(5)

ловой электронике, они, тем не менее, пол-

A μ ε E 3

A

ностью удовлетворяют требованиям, предъ-

n

s

crit

являемым к диодам и транзисторам в им-

Наиболее предпочтительной из всех од-

пульсных источниках питания.

ноключевых

схем

является

резонансная

схема прямоходового преобразователя, ко-

3.7.10. Высоковольтные мощные IGBT

торая до сих пор использовалась только для

В современной силовой электронике би-

мощностей менее 40 Вт. В отличие от крем-

полярным аналогом MOSFET

являются

ниевых транзисторов, лучшие свойства кар-

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — би-

бида кремния позволяют получить силовые

полярный транзистор с изолированным за-

транзисторы с сопротивлением в открытом

твором),

которые, главным образом, ис-

состоянии порядка 0.5 Ом и блокирующим

пользуются в электроприводах. Типичное

напряжением 1500 В, что может расширить

применение дискретных IGBT — контроль

область применения данных схем до мощ-

скорости

вращения барабана стиральных

ностей 1500…2000 Вт.

машин или системы кондиционирования

По сравнению с традиционными реше-

воздуха; более мощные IGBT-модули ис-

ниями это

означает, что

появляется

воз-

пользуются в тяговых электроприводах, на-

можность замены двух или четырёх 600-В

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 171 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 171

пример в приводах двигателя локомотива. В данном разделе будет приведено описание различных технологий изготовления IGBT, начиная с фундаментальных отличий от приборов MOSFET до рассмотрения новой технологии Field-Stop компании Infineon, технологического лидера в этой области.

IGBT или MOSFET

Как и MOSFET, IGBT также является полевым транзистором с изолированным затвором. Следовательно, он отпирается подачей положительного напряжения затвор — эмиттер, как только напряжение достигнет порогового значения для МОП-канала, и p- n-переход на стороне анода будет смещён в прямом направлении. Как и в конденсаторе, около электрода затвора накапливается заряд, и при помощи собственного электрического поля этот заряд создаёт канал между затвором и p-слоем IGBT. Для отключения IGBT к его затвору прикладывается нулевое напряжение, чтобы он смог разрядиться, после чего канал закроется.

Рассматривая структуру ячеек обоих приборов, можно не заметить значительной разницы. В обоих случаях затвор изолирован при помощи поликристаллического кремния. В силовых приборах с вертикальной структурой вывод истока (MOSFET) или вывод эмиттера (IGBT) расположен наверху кристалла, а вывод стока (MOSFET) или коллектора (IGBT) — на задней стороне.

Основное отличие в работе приборов вызвано наличием дополнительного слоя p- типа в нижней части структуры IGBT. В открытом состоянии электронный ток протекает через зону базы по направлению к нижней части p-n-перехода, вызывая там инжекцию неосновных носителей заряда в зону дрейфа. Электронно-дырочная плазма, являющаяся неотъемлемой частью зоны базы, приводит к значительному снижению сопротивления прибора.

Таким образом, в отличие от униполярного MOSFET, IGBT относится к биполярным приборам. Ток в нём создаётся как основными (электроны), так и неосновными (дырки) носителями заряда. MOSFET является униполярным прибором, в котором, когда он находится во включённом состоянии, ток создается только основными носителями заряда. На Рис. 3.157 и Рис. 3.158

показаны сечения MOSFET и вертикально-

го силового IGBT соответственно, а также различия в технологии их изготовления.

Исток

Al

SiO2

Затвор

p n+

n–

Сток

Рис. 3.157. Поперечное сечение MOSFET.

Эмиттер

Al

SiO2

Затвор

n+

p

n–

p

Коллектор

Рис. 3.158. Поперечное сечение IGBT.

Характеристики IGBT во многом определяются его биполярной природой. В то время как вольт-амперная характеристика MOSFET во включённом состоянии по существу описывается только сопротивлени-

ем RDS(on), для IGBT она проявляет диодный характер с участком насыщения и ха-

рактеризуется напряжением излома и дифференциальным сопротивлением (см.

Рис. 3.159).

Кроме того, IGBT обладает отличными от MOSFET характеристиками переключения, которые представлены на Рис. 3.160.

При выключении IGBT характеризуется медленно спадающими хвостовыми токами, вызванными выводом и рекомбинацией запасённой электронно-дырочной плазмы, которая должна быть полностью выве-