Силовой полупроводниковый прибор

Первым электронным устройством, использованным в силовых цепях, был электролитический выпрямитель, ранняя версия которого была описана французским экспериментатором Альбертом Нодоном в 1904 году^[1]. Они были кратковременно популярны среди первых радиолюбителей, так как их можно было изготовить из алюминиевых листов и бытовых химикатов. Однако они имели низкое допустимое напряжение и ограниченную эффективность^[2].

Первыми твердотельными силовыми полупроводниковыми приборами были выпрямители на основе оксида меди, использовавшиеся в ранних зарядных устройствах для аккумуляторов и источниках питания для радиотехники; в 1927 году об этих приборах сообщили изобретатели из США Ларс О. Грюндаль (англ. Lars O. Grondahl) и Поль Х. Гейгер (англ. Paul H. Geiger)^[3].

Первый силовой полупроводниковый прибор на основе германия появился в 1952 году в результате разработки силового диода Р. Н. Холлом (изобретателем лазерного диода). Он имел обратное напряжение блокировки 200 В и номинальный ток 35 А.

Германиевые биполярные транзисторы с высокой мощностью (ток коллектора 100 мА) были представлены примерно в 1952 году; они имели по сути такую же конструкцию, как и генераторы сигналов, но обладали лучшим теплоотводом. Возможности мощности быстро развивались, и к 1954 году стали доступны германиевые транзисторы с пайкой из сплава с рассеиваемой мощностью 100 Вт. Все эти устройства работали на относительно низких частотах, до примерно 100 кГц, и при температуре перехода до 85 °C^[4]. Кремниевые силовые транзисторы начали выпускаться только в 1957 году, они имели лучшую частотную характеристику по сравнению с германиевыми устройствами и могли работать при температуре перехода до 150 °C.

Тиристор появился в 1957 году. Он способен выдерживать очень высокое напряжение обратного пробоя и одновременно пропускать большой ток. Однако одним из недостатков тиристора в коммутационных схемах является то, что после включения в проводящее состояние он «защёлкивается» и не может быть выключен внешним управлением, поскольку выключение тиристора является пассивным, то есть питание устройства должно быть отключено. Тиристоры, которые можно было выключать, называемые тиристорами с управляемым отключением (GTO), были представлены в 1960 году^[5]. Они преодолевают некоторые ограничения обычного тиристора, поскольку могут быть включены и выключены при подаче управляющего сигнала.

МОП-транзистор был изобретён в Bell Labs в период между 1955 и 1960 годами^{[6][6][7][8][9]}. Развитие отрасли МОП-транзисторов позволило разработчикам силовой электроники достичь уровней производительности и плотности, недоступных для биполярных транзисторов^[10]. Благодаря усовершенствованиям в технологии МОП-транзисторов (первоначально использовавшихся для производства интегральных схем), силовые МОП-транзисторы были разработаны и представлены в 1970-х годах.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) был разработан в 1980-х годах и получил широкое распространение в 1990-х годах. Этот компонент обладает мощностью биполярного транзистора и преимуществами изолированного затвора МОП-транзистора.

Первые в СССР силовые полу­проводниковые вентили были разработаны в 1955 году на основе германия с применением сплавной технологии в Физико-техническом институте (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе АН СССР^[11].

С начала 1950-х годов вместе с учёными из ФТИ опытами с целью создания образцов германиевых транзисторов занимались представители академической и вузовской науки: ФИАН, ИРЭ АН СССР, НИИ «Исток» (где была разработана серия образцов точечных германиевых транзисторов, которая из-за присущих им недостатков не послужила основой для серийного производства полупроводниковых приборов)^[12].

В 1959 году в ВЭИ им. В. И. Ленина были из­готовлены первые сплавные вентили на основе монокрис­таллического кремния. С этого момента началось вытес­нение германия кремнием, позднее практи­чески все силовые приборы изготавливались на основе кремния. Применение кремния позволило расширить тем­пературный диапазон использования силовых приборов, существенным образом увеличить обратные напряжения, повысить их эффективность^[11].

1961 год знаменуется разра­боткой кремниевых вентилей с электронно-дырочным переходом, изготовленным методом диффузии, а в в 1964 году в результате сотрудничества учёны­х ФТИ им. А. Ф. Иоффе и инженеров завода «Элек­тровыпрямитель» был разработан промышленный метод полу­чения высоковольтных p-n-переходов путём диффузии алюминия в открытой атмосфере.

Этот метод, позднее распространённый на такие эле­менты, как галлий, золото и др., вхо­дил как составная часть в процесс изготовления почти каждого российского силового полупроводникового прибора.

В 1962 г. специалистами ФТИ им. А. Ф. Иоффе и за­вода «Электровыпрямитель» была закончена разработка диффузионных тиристоров.

В 1963 г. впервые были изготовлены опытные образ­цы нового полупроводникового прибора — симметричного тиристора или симистора, выполняющего функции ключа переменного тока^[11].

Наиболее распространённые силовые приборы — это силовой МОП-транзистор, силовой диод, тиристор и биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Силовой диод и силовой МОП-транзистор работают по тем же принципам, что и их маломощные аналоги, но способны пропускать больший ток и обычно выдерживают более высокое обратное напряжение в выключенном состоянии.

Для обеспечения большей плотности тока, большего рассеивания мощности и/или более высокого обратного напряжения (напряжения пробоя) в силовые приборы часто вносятся конструктивные изменения.

Подавляющее большинство дискретных (то есть неинтегрированных) силовых устройств выполнены с вертикальной структурой, тогда как малосигнальные устройства имеют боковую структуру. При вертикальной структуре номинальный ток устройства пропорционален его площади, а способность выдерживать напряжение достигается за счёт высоты кристалла. В такой конструкции один из контактов устройства расположен на нижней стороне полупроводникового кристалла.

Силовой МОП-транзистор является самым распространённым силовым прибором в мире благодаря низкому потреблению мощности затвором, высокой скорости переключения и развитой возможности параллельного включения; является одними из самых важных компонентов, обеспечивающих стабильную подачу питания и низкие потери; играет ведущую роль в управлении двигателями, регулировании мощности, специализированной логике, усилителях большой мощности, освещении и других системах, требующих высокого потребления тока с низкими потерями^[13]. Он находит широкое применение в силовой электронике:например, в портативных информационных устройствах, силовых интегральных схемах, мобильных телефонах, ноутбуках и коммуникационной инфраструктуре, обеспечивающей работу интернета^[14].

По состоянию на 2010 год силовой МОП-транзистор занимал бо́льшую часть рынка силовых транзисторов (53 %), за ним следовал биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT (27 %), затем радиочастотный усилитель (11 %) и биполярный транзистор с p-n переходом (9 %)^[15].

По аналитическим прогнозам, к 2034 году продажи силовых МОП-транзисторов вырастут почти в 2 раза по сравнению с 2023 годом^[16].

По принципу действия силовые полупроводниковые приборы делятся на следующие основные виды:

• диоды;
• тиристоры:
• тиристоры симметричные;
• стабилитроны;
• ограничители напряжения;
• транзисторы^[17].

Силовые устройства можно классифицировать по одной из следующих основных категорий (см. рисунок 1):

• Двухполюсный прибор (например, диод), состояние которого полностью зависит от внешней цепи питания, к которой он подключён.
• Трёхвыводной прибор (например, триод), состояние которого зависит не только от внешней цепи питания, но и от сигнала на управляющем выводе (этот вывод называется затвором или базой).
• Четырёхвыводное устройство (например, кремниевый управляемый переключатель — англ. Silicon Controlled Switch, SCS). SCS — это тип тиристора, состоящий из четырёх слоёв и четырёх выводов, называемых анодом, затвором анода, затвором катода и катодом. Выводы подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвёртому слоям^[18].

Другая классификация не так наглядна, но показывает различия в характеристиках устройства, влияющих на производительность:

• Устройство с основными носителями заряда (например, диод Шоттки, МОП-транзистор и др.); использует только один тип носителей заряда.
• Устройство с неосновными носителями заряда (например, тиристор, биполярный транзистор, IGBT и др.); использует как основные, так и неосновные носители заряда (то есть электроны и дырки).

Устройство с основными носителями заряда работает быстрее, но инжекция зарядов устройств с неосновными носителями обеспечивает лучшую производительность в открытом состоянии.

• Напряжение пробоя: Увеличение напряжения пробоя за счёт использования более толстой и менее легированной дрейфовой области приводит к повышению сопротивления в открытом состоянии, из-за чего часто приходится искать компромисс между номинальным напряжением пробоя и сопротивлением в открытом состоянии.

• Сопротивление в открытом состоянии: Более высокий номинальный ток снижает сопротивление в открытом состоянии за счёт большего количества параллельных ячеек. Это увеличивает общую ёмкость и снижает скорость.

• Времена нарастания и спада: Время, необходимое для переключения между состоянием включения и состоянием выключения.
• Зона безопасной эксплуатации: Это аспект, связанный с тепловыделением и «защёлкиванием» (англ. latch-up).
• 

  Силовое устройство обычно устанавливается на радиатор для удаления тепла, возникающего в результате рабочих потерь
  Тепловое сопротивление: Этот параметр часто игнорируется, но он крайне важен с точки зрения практического проектирования. Полупроводники работают неэффективно при повышенных температурах, и несмотря на это, из-за большого тока проводимости силовое полупроводниковое устройство неизбежно нагревается. Поэтому такие приборы необходимо охлаждать, непрерывно отводя тепло^[19]. Технологии изготовления корпусов и теплоотвода охлаждающих устройств обеспечивают отвод тепла от полупроводникового прибора, отводя его во внешнюю среду. Как правило, устройство с большим током имеет бо́льшую площадь кристалла и корпуса, а также более низкое тепловое сопротивление.

Роль упаковки заключается в том, чтобы:

• соединить кристалл с внешней схемой;
• обеспечить способ отвода тепла, генерируемого устройством;
• защитить кристалл от воздействия внешней среды (влажности, пыли и т. д.).

Многие проблемы надёжности силовых приборов связаны либо с чрезмерной температурой, либо с усталостью из-за термического цикла. Исследования проводятся по следующим темам:

• эффективность охлаждения;
• устойчивость к циклическим перепадам температур за счёт точного соответствия коэффициентов теплового расширения корпуса и кремния;
• максимальная рабочая температура материала упаковки корпуса.

Также продолжаются исследования в области электротехники, например, по снижению паразитной индуктивности корпуса; эта индуктивность ограничивает рабочую частоту, поскольку она приводит к потерям при коммутации.

Силовой низковольтный МОП-транзистор также ограничен паразитным сопротивлением своего корпуса, так как его внутреннее сопротивление в открытом состоянии составляет всего один или два миллиома.

К наиболее распространённым типам корпусов силовых полупроводников относятся TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, TO-263 / D2PAK и т. д.

Конструкция IGBT всё ещё находится в стадии разработки, и можно ожидать увеличения рабочих напряжений.

В области приборов с высокой мощностью перспективным устройством является МОП-управляемый тиристор MCT (англ. MOS-controlled thyristor). Значительное улучшение по сравнению с традиционной структурой МОП-транзистора достигается за счёт использования принципа баланса заряда суперперехода (англ. super junction): по сути, это позволяет сильно легировать толстую дрейфовую область силового МОП-транзистора, тем самым снижая электрическое сопротивление потоку электронов, не снижая предельного напряжения пробоя. Она сопоставляется с областью, аналогично легированной носителями заряда противоположной полярности (дырками); эти две схожие, но противоположно легированные области эффективно нейтрализуют свой подвижный заряд и образуют «обеднённую область», поддерживающую высокое напряжение в закрытом состоянии. С другой стороны, в открытом состоянии более высокая степень легирования дрейфовой области обеспечивает лёгкий поток носителей заряда, тем самым снижая сопротивление в открытом состоянии. Коммерческие устройства, основанные на этом принципе суперперехода, были разработаны такими компаниями, как Infineon (продукция CoolMOS) и International Rectifier (IR).

Широкозонные полупроводники (ШЗП) SiC и GaN благодаря высокой энергоэффективности прочно вошли в круг основных материалов полупроводниковой электроники и теснят кремний во многих сферах применения^[20]. Наиболее перспективным считается карбид кремния (SiC). В продаже имеются SiC-диод Шоттки с напряжением пробоя 1200 В и JFET на 1200 В. Поскольку оба прибора являются основными носителями заряда, они могут работать с высокой скоростью. Разрабатывается биполярный прибор для более высоких напряжений (до 20 кВ). Среди его преимуществ — способность работать при более высоких температурах (до 400 °C) и меньшее тепловое сопротивление по сравнению с кремнием, что обеспечивает лучшее охлаждение.

Значительно вырос интерес к новой группе полупроводников с ещё более широкой запрещённой зоной, чем у хорошо известных широкозонных полупроводников; они относятся к категории сверхширокозонных полупроводников (СШЗП). Их уникальные электрофизические свойства позволяют открыть новые области применения в электронике, недоступные даже широкозонным полупроводникам. СШЗП уже заявляют о себе, но, как и ШЗП, должны пройти путь исследований и коммерциализации, хотя и гораздо быстрее^[21].