О. И. БОНОМОРСКИЙ, М. Г. АКИМОВ, инженеры ВЭИ имени В. И. Ленина
Уровень развития силовой электроники оказывает все возрастающее влияние на состояние энергетики, машиностроения, транспорта и многих других отраслей народного хозяйства. Столь важная роль силовых электронных устройств ведет к ужесточению требований по их надежности, экономичности, компактности, простоте и удобству управления. Удовлетворить эти требования можно только на основе новой элементной базы, в первую очередь, новых типов силовых полупроводниковых приборов (СПП), модулей на их основе и "интеллектуальных ключей".
Наиболее перспективными для создания высокочастотных малогабаритных преобразователей электроэнергии считаются СПП с полевым управлением [1], среди которых наибольшее распространение получили ΜOΠ-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) [2, 3]. Значительно менее известны приборы с электростатической индукцией, относящиеся к параллельной с МОП-транзисторами ветви развития полевых приборов [4]. Приборы этого класса предлагается обозначать аббревиатурой "СИ—", что означает "статический индукционный", например, СИ-транзистор (от английского SIT).
Появившиеся сравнительно недавно на отечественном рынке Б-СИ-транзисторы КП926, КП934, КП937 вызвали у потребителей заметный интерес. Параметры этих мощных приборов значительно ниже, чем у их зарубежных силовых аналогов. Целесообразность развертывания работ по созданию более совершенных приборов с электростатической индукцией при наличии альтернативного МОП-направления вызывает определенные сомнения, а сравнительной оценки достоинств и недостатков различных типов СПП с полевым управлением в отечественной литературе не имеется.
Рис.1. Схематическое сечение ячейки:
а — планарного СИ-транзистора; б — ДМОП-транзистора.
В статье предпринята попытка качественного сравнительного анализа высоковольтных униполярных МОП- и СИ-транзисторов с целью обсуждения, хотя бы в постановочном плане, важнейших вопросов, определяющих перспективность и конкурентоспособность этих приборов. Физический анализ основных параметров дополняется сравнением аналогов, затрагиваются вопросы технологичности и надежности приборов.
Рассмотрение проведено по следующим критериям- диапазон коммутируемых напряжений, мощность потерь в открытом состоянии, быстродействие и связанные с ними коммутационные потери мощности, потребление мощности по цепи управления, надежность при использовании в ключевых схемах, уровень технологических требований, влияющих на стоимость приборов.
Ввиду ограниченности объема описание принципов действия рассматриваемых приборов и способов их изготовления, изложенных в [2, 5, 6], в статье не приводится.
В предлагаемом анализе СИ-транзистор рассматривается в простейшем, планарном исполнении [7]. При выборе варианта конструкции МОП-транзистора учитывалось, что для создания высоковольтных приборов наиболее предпочтителен ДМОП-транзистор [8]. Впрочем, полученные выводы сохраняют принципиальное значение и для других типов конструкций. На рис. 1, а, б представлены сечения ячеек планарного СИ-транзистора и ДМОП-транзистора, соответственно.
- Коммутируемые напряжения. Характерной особенностью обоих приборов является наличие тонкой слаболегированной области (эпитаксиального слоя), называемой в МОП-транзисторах также дрейфовой областью. Теоретическое пробивное напряжение сток-исток
U можно оценить как
с. и. проб
(1)
где w — толщина дрейфовой области под р-подложкой (затвором СИ-транзистора); рп— удельное сопротивление этой области; К— постоянная, зависящая от выбора материала (кремния или иного).
В МОП-транзисторах с вертикальным каналом всегда присутствует паразитный биполярный транзистор, образованный истоком, подложкой и дрейфовой областью стока, для которого пробивное напряжение, при отсутствии шунтировки,
(2)
где lк — длина канала; L — диффузионная длина неосновных носителей заряда в подложке.
Как отмечается в [8], шунтировка эмиттерного p-n- перехода этого транзистора снижает эффект, описываемый соотношением (2), но, в силу конечного сопротивления p-слоя, полностью ликвидировать его не может. Достижение заданного предельно-допустимого напряжения U при сохранении неизменной длины канала l требует избыточного пробивного напряжения р-п-перехода подложка-сток, что возможно, например, за счет увеличения толщины дрейфовой области. Однако это ведет к росту объемной компоненты сопротивления открытого прибора.
Другой опасностью, от которой нельзя избавиться шунтировкой перехода исток-подложка, является прокол базы биполярного транзистора
(3)
где NА— поверхностная концентрация акцепторной
примеси в подложке; N — концентрация примеси в области [6].
Для увеличения напряжения прокола необходимо повышать уровень легирования подложки и длину канала, однако и то, и другое ведет к росту сопротивления транзистора при заданном напряжении на затворе. Кроме того, с ростом степени легирования подложки ухудшается тепловая стабильность порогового напряжения.
Из других факторов, влияющих на пробой МОП- транзистора, можно упомянуть пробой подзатворного диэлектрика, концентрацию поля вблизи острых углов (МОП), влияние кривизны переходов [2, 6]. После частичного или полного подавления всех перечисленных эффектов в МОП-транзисторе мы придем к соотношению (1) и проблемам защиты собственно планарного перехода с помощью делительных колец или иных известных методов
В СИ-транзисторе, по сути, эта проблема является единственной, поскольку, как видно из рис. 1, а, он не содержит паразитного биполярного транзистора, подобно МОП-транзистору, не подвержен эффекту прокола или пробоя подзатворного диэлектрика, не имеет острого дна канавки, как МОП, и т. д. Можно сказать, что с точки зрения достижения максимальных напряжений при заданных параметрах эпитаксиального слоя, СИ- транзистор является по отношению к МОП-транзистору "предельным случаем", достижение которого требует полного подавления всех паразитных элементов последнего.
Перечисленные физические особенности работы транзисторов при высоких напряжениях привели к появлению в Японии семейства СИ-транзисторов на напряжения от 600 до 1500 В, тогда как основная номенклатура МОП-транзисторов имеет напряжение менее 600 В [9, 10].
Рис. 2. Зависимость относительного вклада сопротивлений канала (R ) и дрейфовой области (R) в общее сопротивление ДМОП- транзистора от степени легирования дрейфовой области р и потенциала затвора [8]
- Мощность потерь в открытом состоянии. Известно [2, 8], что основной вклад в сопротивление МОП транзистора вносят канал (R ) и объемное сопротивление дрейфовой области стока
(4)
причем для приборов с дрейфовой областью типа [8]
(5)
а
(6)
где — ширина канала; С0 — емкость затвор-подложка;
μ* — подвижность носителей в канале; U0 — пороговое напряжение.
Как видно из рис. 2, эти две компоненты составляют около 80 % сопротивления R причем у низковольтных приборов вклад R достигает 40 % R, а у высоковольтных доминирует R .
С учетом сказанного в разделе 1 можно предположить, что СИ-транзистор требует меньших запасов по U c. и. проб с точки зрения выбора параметров эпитаксиального слоя, а значит, при прочих равных условиях, СИ-транзистор может иметь более тонкую и сильнолегированную область, что ведет к меньшему сопротивлению. Дополнительный выигрыш дает отсутствие компоненты, хотя вклад ее в высоковольтных приборах,
как видно из рис. 2. невелик.
Мощность потерь в открытом состоянии Ротк при
токе стока
(7)
откуда ясно, что в СИ-транзисторе мощность потерь Сотк во всяком случае не больше, чем в МОН-транзисторе. Для высоковольтных приборов этот параметр должен быть практически одинаковым. Низковольтный СИ-транзистор ввиду отсутствия приповерхностного каната должен иметь на 20—40 % меньшую мощность потерь, чем аналогичный МОП-транзистор, если плотности упаковки топологии одинаковы.
Представленные в таблице данные для японских ΜОП-транзисторов фирмы "Хитачи" [9] и СИ-транзисторов фирмы "Токин" [10] иллюстрируют справедливость приведенных рассуждений. Для приборов одного класса по напряжению сопротивление в открытом состоянии отличается весьма незначительно. Заметим, что сопоставляемые в таблице приборы относятся к высоковольтным и что МОП-транзисторы с конструктивной точки зрения отработаны значительно лучше.
Быстродействие и коммутационные потери мощности.
В униполярных приборах время включения-выключения определяется входными емкостями [5], зависящими от площади и топологии кристалла, режима работы, типа корпуса. Анализ входных емкостей МОП- и СИ-транзисторов осложняется их различной физической природой: если в МОП-транзисторе основной вклад вносится несколькими МДП-структурами, то для СИ-транзистора он определяется барьерной емкостью управляющего р-перехода [2]. Вследствие этого корректный анализ входных емкостей без привлечения математического аппарата вряд ли возможен.
Оценим емкость МДП-конденсатора площадью 1 см2. При типичной толщине подзатворного оксида 2000 А ее
значение составит 2 · 10-8 Ф, а для условного прибора с активной площадью 5х5 мм, полагая площадь каналов равной 50 % saкт, получаем около 2000 пФ, что но порядку величины близко к данным таблицы. Аналогичная оценка для барьерной емкости управляющего р-п- перехода высоковольтного СИ-транзистора при уровне легирования дрейфовой области 1014 см-3, нулевом внешнем напряжении и φконт ~ 0,8 В дает 2-10‘9
Ф/см2. С учетом боковых поверхностей скрытых затворов общая площадь управляющего р-перехода может достигать учетверенной площади ячейки, а емкость в приборе 5 х 5 мм — значения около 2000 пФ, что следует считать завышенной оценкой.
Униполярные приборы с нолевым управлением
*Расчетное значение пo Р и R (в каталоге отсутствует)
Следовательно, порядки входных емкостей МОП- и СИ-транзисторов должны быть одинаковыми при стандартных условиях измерений [2]. При анализе переходных
процессов в СИ-транзисторе следует учитывать зависимость частичных емкостей от напряжения (рис. 3), которой в МОП-транзисторах обычно пренебрегают [8], причем эти емкости после смыкания обедненных слоев заметно уменьшаются.
Приведенные в таблице данные подтверждают сделанные выше качественные оценки. Несмотря на значительный разброс входных емкостей приборов, удельное значение Си для МОП- и СИ-транзисторов
отличается незначительно, составляя типично 100—300 пФ/А. Тенденция к увеличению С у высоковольтных приборов отмечается для обоих типов транзисторов.
Поскольку входные емкости отличаются незначительно, а механизмы процесса переключения принципиально одинаковы и сводятся к перезарядке указанных емкостей, быстродействие приборов должно быть близким.
Рис. 3. Волът-фарадная характеристика СИ-транзистора
(8)
Данные таблицы, действительно, подтверждают наше предложение, причем динамические параметры СИ- транзисторов выглядят даже несколько лучше. Поскольку
коммутационные потери мощности в обоих приборах практически одинаковы.
- Потребление мощности но цепи управления. Пренебрегая утечками через подзатворный диэлектрик в МОП-транзисторе и через обратно-смещенный р-переход в СИ-транзисторе, получаем для входной мощности:
(9)
Значение соответствует рабочему напряжению на затворах и без большой погрешности может быть принято равным 10 В для мощных ключевых приборов. С учетом сказанного в разделе 3 ясно, что мощность, потребляемая по цепи управления обоими приборами, существенно отличаться не должна, если рассматривать транзисторы одного класса по напряжению и току. Такой вывод представляется важным, поскольку малое потребление мощности по цепи управления считается одним из главных достоинств МОП-транзисторов.
Надежность приборов.
Униполярные приборы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, обеспечивающий автоматическое выравнивание тока по структуре и предотвращающий вторичный пробой. Однако наличие в МОП-транзисторе паразитного биполярного транзистора снижает его надежность при работе на больших токах и напряжениях, вновь порождая опасность вторичного пробоя [8].
СИ-транзистор, работающий в униполярном режиме, не имеет аналогичного паразитного элемента, что расширяет его область безопасной работы. В то же время, СИ-транзистор является нормально открытым прибором и при обрыве цепи управления пропускает предельный ток, что может привести к выходу из строя всей схемы. МОП-транзистор с индуцированным каналом свободен от данного недостатка. Учитывая близкие значения входных емкостей, можно полагать, что управление СИ-транзистором сводится к инвертированию управляющих сигналов по отношению к МОП-транзистору с индуцированным η-каналом при той же мощности генератора в цепи управления.
Реализация нормально закрытого униполярного СИ- транзистора возможна, в частности, путем каскадного включения низковольтного управляющего МОП-транзистора, слабо влияющего на мощность потерь такого составного прибора.
Уровень технологичности.
Согласно нашим качественным рассуждениям и данным таблицы параметры МОП- и СИ-транзисторов в целом близки. По нашему мнению, вопрос о целесообразности выпуска того или иного прибора зависит прежде всего от технологического потенциала изготовителя и номенклатуры выпускаемых им изделий. При наличии МОП-технологии БИС, вероятно, экономически целесообразнее производить по единой базовой технологии и МОП-БИС, и мощные МОП-транзисторы, в ряде случаев объединяя их в одном кристалле в виде "интеллектуальных ключей". Нельзя не признать, что резервы улучшения параметров мощных МОП-транзисторов полностью не исчерпаны, а потенциальные достоинства СИ-транзисторов пока не привели к их господству на рынке СПП. Можно предположить, что именно в таком положении находится сегодня большинство ведущих зарубежных фирм, ценой больших усилий и затрат освоивших выпуск МОП-интегральных схем, составляющих, в среднем, 80 % объема продажи полупроводниковых компонентов.
С другой стороны, для предприятий, владеющих более простой технологией биполярных ИС, технологически ближе приборы с электростатической индукцией, которые также могут производиться вместе с интегральными схемами по единой базовой технологии.
В любом случае, производство приборов с полевым управлением большой площади по уровню сложности не уступает производству БИС. Затраты на освоение, выход годных и стоимость этих приборов будут определяться существующим уровнем технологии. По мнению авторов, для значительного числа отечественных предприятий более доступен высоковольтный СИ-транзистор, требующий, при прочих равных условиях, меньших затрат для достижения экономически оправданного процента выхода годных, а следовательно, более дешевый по сравнению с аналогичным высоковольтным МОП-транзистором.
Судя по сообщениям зарубежных источников [11], униполярные СИ-транзисторы уже сегодня находят применение в устройствах высокочастотного нагрева, ультразвуковых генераторах различного назначения, схемах управления электроприводом, высоковольтных преобразователях, высококачественных усилителях звуковой частоты, военной и космической аппаратуре.
Список литературы
- Горюнова О. Ф. Кузьмин В. А. Силовые быстродействующие приборы с полевым управлением // Электротехника. 1984.
- Окснер Э. С. Мощные полевые транзисторы и их применение. / Под ред. В. Н. Мышляева. М.: Радио и связь. 1985.
- Baliga В. J. The insulated gate transistor Anew three terminal MOS controlled bipolar power device // IEEE Trans. El Dev. Vol 31. № 6. P. 821-828.
- Nishizawa J. I. New SITs shallenge existing power Semiconductors // Power conver. and intel. mot,ion. 1987. Vol. 13 P. 15-18, 22, 24-26, 28.
- Зи C. M. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1. / Под ред. И. В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1986.
- Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / Под ред. И. В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1986.
- Nishizawa J. I. Yamamoto К. High-Freguency High-Power Static Induction Transistor // IEEE Trans, on El. Dev. 1978. Vol. 25. № 3. P. 314-322.
- Мощпые переключающие МОП-транзисторы и их применение Ч I. Проблемы конструирования / В. В. Бачурин, В. П Дьяконов и др. // Тр. ЦНИИ "Электроника". Обзоры по электронной технике. 1983. Сер. 2. Вып. 1.
- PCIE Europe. 1991. Vol. 1. № 3. Jan. / Febr. P. 29.
- Каталог фирмы "Tokin", 1988.
- Использование транзисторов с электростатической индукцией // Хандотай кэнкюне хококу. 1988. Т 24. № 2. С. 46-52
