Силовая электроника №6'2012

GaAs-диоды для PFC, SMPS, UPS, IPM, Solar Invertors и замены синхронных выпрямителей

Войтович Виктор

Гордеев Александр

Думаневич Анатолий


 

«Инновация — это материал, продукт, которых в природе нет».

Йозеф Шумпетер

30-е годы XX в., Вена


Единственным эффективным инструментом снижения огромных мировых потерь электроэнергии является силовая электроника. Чтобы она стала более эффективной, необходимо обновить ее элементную базу, применяемые материалы, использовать такую новую технологию, которой еще нет в мировой практике. В этом суть инновации.
В статье пойдет речь о новом направлении в мировой электронике: высоковольтной технологии p-i-n GaAs.

Единственным эффективным инструментом снижения огромных мировых потерь электроэнергии является силовая электроника. Чтобы она стала более эффективной, необходимо обновить ее элементную базу, применяемые материалы, использовать такую новую технологию, которой еще нет в мировой практике. В этом суть инновации.

В статье пойдет речь о новом направлении в мировой электронике: высоковольтной технологии p-i-n GaAs. Она многолика. Это и сверхскоростные диоды, и тиристоры, и транзисторы, это новая высоковольтная полупроводниковая СВЧ-электроника, пикосекундные силовые фотопреобразователи, суперпроводимость, рабочая температура в полтора раза выше, чем у Si- и SiC-приборов и вдвое — чем у GaN-приборов. Это реальный переход к субнаносекундной электронике, новый зарождающийся мощный сегмент мирового рынка.

Положение дел в секторе высоковольтных высокоскоростных диодов будем обсуждать, пока не касаясь ЛПД (Low Power Device, LPD) с генерацией огромной мощности в пикосекундном диапазоне (100–600 В, 1–12 ГГц), а также подлинных p-i-n-конструкций СВЧ-диодов на 200–600 В, 1–12 ГГц с плотностью тока 0,1 А/0,1 пФ/600 В и 0,3 А/0,1 пФ/200 В/10–12 ГГц.

Рассмотрим достоинства и недостатки высоковольтных диодов на основе p-i-n GaAs-структур на фоне монопольных (98% мирового рынка) Si-диодов, а также SiC-диодов (2% мирового рынка). Мы создаем четыре функциональных класса высокоскоростных высоковольтных высокотемпературных p-i-n GaAs-диодов:

  1. Ultrafast recovery diodes (UFRED)
    • UF = 1,8 В;
    • URRM = 600–1200 В;
    • trr = 30–100 нс (при Tj = +250 °C);
    • Qrr, trr ≠ f(Tj °C).
  2. Hyperfast recovery diodes (HyperFRED)
    • IF = 1–50 А;
    • UF = 1,8 В;
    • URRM = 600 В;
    • trr = 15–30 нс (+250 °C);
    • Qrr, trr ≠ f(Tj °C).
  3. Hyper2FRED (в разработке)
    • IF = 1–10 А;
    • UF ≤ 0,5 В;
    • URRM = 600 В.

    Время восстановления trr и заряд Qrr в Hyper2FRED на порядок ниже, чем у SiC SBD или будущих, не существующих пока GaN SBD, но при рабочей температуре в полтора раза выше, чем у последних (Tj = +250 °C).

  4. COOL UFRED (COOL-диоды)
    • IF в пять раз выше, чем у Si- и SiC-диодов при меньших UF;
    • период восстановления 60–120 нс при Tj = +250 °C;
    • отрицательное дифференциальное сопротивление прямой ВАХ;
    • коэффициент «мягкости» S = tf/ts = 0,8–1,2 в зависимости от di/dt.

1200-В UFRED

Структура, технология, принципы работы p-i-n GaAs UFRED подробно изложены в [1]. Еще раз подчеркнем преимущества GaAs UFRED над SiC JBS. Быстрый, сильноточный, высоковольтный, с малым временем восстановления диод SiC JBS на частоте коммутации свыше 1,0 МГц cгорает. Почему? Для ответа сравним параметры нашего p-i-n GaAs-диода и SiC JBS, приведенные в таблицах 1 и 2 (кремний на токах >15 А не рассматривается из-за высоких значений trr и сильной температурной зависимости).

Таблица 1. Сравнение ультрабыстровосстанавливающихся p-i-n GaAs-диодов с SiC JBS Шоттки с диодами фирмы Cree (класс 12, 1200 В, относительно слаботочная зона)

Наименование параметра p-i-n GaAs UFRED SiC UFRED C2D20120A (Cree)
Максимальное обратное напряжение URRM, В 1200* 1200
Максимальный прямой постоянный ток IF, А (UF = 2 В) t = +25 °C 15 15
t = +150 °C 10
t = +175 °C 5
Время обратного восстановления trr, нс
(di/dt = 200 А/мкс; IF = IF max; UR = 400 В)
  60 35
Максимальная емкость перехода Сj, пФ (f = 1 МГц) UR = 0 В 22 1000
UR = 100 В 18 120
Максимальная температура p-n-перехода Tj, °C +250 +175
Граничная частота коммутации, МГц 3 0,8

Примечание: * При URRM 1700 В JBS в еще большей степени уступает p-i-n GaAs-диодам.



Таблица 2. Сравнение ультрабыстровосстанавливающихся дискретных p-i-n GaAs-диодов с SiC JBS Шоттки
с диодными модулями фирмы Microsemi (класс 12, 1200 В, сильноточная зона)

Наименование параметра p-i-n GaAs UFRED SiC APTDC902U1201G
Обратное напряжение, URRM, В 1200 1200
Максимальный прямой ток IF, А (UF = 2 В) +25 °C 120 120
+125 °C 120 80
+175 °C 100 50
Время обратного восстановления trr, нс 80 50
Емкость перехода Сj, пФ UR = 0 В 240 7000
UR = 200 В 170 864
UR = 400 мВ 150 621
Температура перехода Tj, °C +250 +175
Граничная частота коммутации, МГц 2,0 0,5
Вес диода в корпусе, г 5 80

Что происходит с SiC JBS на высокой частоте коммутации (рис. 1–4)? На рис. 1–3 в разрезе схематично показана структура SiC JBS и ее эквивалентные схемы.

 SiC JBS структура диода Шоттки

Рис. 1. SiC JBS структура диода Шоттки

Согласно рис. 2а, б и рис. 3 при высоких значениях частоты коммутации и амплитуды прямого тока включается паразитный p-i-n SiC-диод (рис. 4).

 Схема SiC JBS

Рис. 2. Схема SiC JBS, состоящая из: а) параллельно включенных SiC SBD и p-i-n SiC-диодов (в случае омического контакта «металл–p+»); б) параллельно включенных высоковольтных SiC SBD и p-i-n SiC-диодов и антипараллельного низковольтного SiC SBD (в случае выпрямляющего контакта «металл–p+»)


 Эквивалентная схема (рис. 2а) SiC JBS-диода

Рис. 3. Эквивалентная схема (рис. 2а) SiC JBS-диода на высокой частоте при значительных импульсных токах и повышенной температуре (С1 >> С2, R2 >> R1, L1 >> L2)


 ВАХ SiC JBS-диода на высокой частоте

Рис. 4. ВАХ SiC JBS-диода на высокой частоте

Проиллюстрируем дополнительно значение недопустимости больших импульсных, а тем более ударных токов в SiC JBS-диодах (на рис. 5 приведен пример ударных токов в p-i-n GaAs-диодах, что также проявляется и в SiC JBS).

 Форсированный прямой ток в p-i-n GaAs-диодах

Рис. 5. Форсированный прямой ток в p-i-n GaAs-диодах

Кроме того, структура любого диода Шоттки — это тот же электромагнитный ускоритель: термоэмиссионные электроны, разогнавшись в теле полупроводника с приличной энергией, врезаются в «мишень» — барьер «металл–полупроводник», а его надежность не бесконечна.

Сравнивать SiC JBS-диоды с p-i-n GaAs-диодами в 17-м классе нет смысла, разница будет еще более ощутимой в пользу GaAs. Структура p-i-n GaAs подробно описана в [12]. В силу специфики технологии p-i-n прямая ВАХ высоковольтного GaAs-диода слабо зависит от температуры. Прямое напряжение UF изменяется от –10% при t = +60 °C до +10% при t = +250 °C по сравнению с t = +25 °C. При этом наблюдается тенденция, что trr(+250 °C)< trr(+25 °C).

При замене в катодной области кристалла n+-GaAs-эпитаксиального монослоя на гетеро AlGaAs n+-эпитаксиальный слой «пятка» прямой ВАХ смещается влево на 0,2 и более вольт, то есть UF AlGaAs/GaAs → UF Si (от 0,8 В) в начальной стадии нарастания прямого тока, но дифференциальное прямое напряжение у p-i-n AlGaAs/GaAs-диодов с ростом прямого тока значительно меньше.

В отличие от барьеров Шоттки неосновные носители в 1200-В p-i-n-диоде «аннигилируют» и «гасят» энергию в значительно большем объеме толщиной в 1200-В диодах от 90 мкм и выше против десятых, а то и сотых долей микрона в барьерной зоне «металл–SiC», где из-за несовершенства структуры возникают значительные локальные канальные перегревы, что приводит со временем к оживлению структурных дефектов и их генерации.

При внимательном рассмотрении рекламных или справочных данных на SiC JBS-диоды на 1200 В и тем более на 1700 В становится очевидным, что изготовители скромно умалчивают о trr, как и об обратных «треугольниках» тока обратного восстановления. Если у 600-В SiC SBD («чистых» диодов Шоттки) картинка обратного восстановления представляет собой равнобедренный треугольник с S = tf/ts≈1, то у 1200-В JBS коэффициент формы SSiC JBS напоминает коэффициент формы SSi разогретого до +100 °С кремниевого UFRED, где S может быть как 1,4, так и 1,8. Вероятно, это связано не только с работой RC-цепочки барьера Шоттки и сопротивления эпитаксиального слоя, но и с ростом вероятности мягкого вброса неосновных носителей при высокочастотной коммутации системы «омический контакт–SiC-p+-слой» и жесткого вброса неосновных носителей в системе «невыпрямляющий контакт–SiC-p+-слой». Одно дело, если речь идет о 5–7 кГц в малоамперном электроприводе, и совсем другое, когда частота пошла на сотни килогерц.
Да и в сильноточном приводе (когда одиночный чип Trench-IGBT на 1200 В может пропускать до 200 А) в полумостовой схеме плеча трехфазного инвертора при включении IGBT, да еще в нагрузку емкость в 8–10 нФ открытого JBS SiC-диода (на 200 А IGBT требуется 2×50 А SiC JBS), а это не только рост динамических потерь при включении/выключении, но и очень высокие цены: 50-А чип SiC JBS на 1200 В стоит от €100, тогда с учетом чоппера (схемы «слива») в трехфазном инверторе на 200 А необходимо разместить 14 чипов SiC JBS (1200 В, 50 А) суммарной стоимостью от €1400, что гораздо дороже, чем IGBT+Si UFRED трехфазный модуль, с выигрышем эффективности с SiC-диодами в 1,5% при полном отсутствии прогнозируемости надежности IPM-модулей с SiC-диодами Шоттки. Стоит ли игра свеч?

В бытовом электроприводе — наверное, да, стоит, но в мощном промышленном приводе — ответ давно уже известен. Согласно отчетам аналитической фирмы Yole Developpement (Франция) за 2009–2011 гг., доля SiC-диодов на мировом рынке несколько лет «топчется» на уровне 2–3% от кремниевых диодов или ≈0,2% от доли всех кремниевых силовых приборов. Каждый год цифры в отчете повторяются. Нужно отметить и структурные несовершенства кристаллической эпитаксиальной пленки SiC n-типа. По этой причине 600-В SiC SBD-диоды Шоттки ограничены предельным током 20 А/чип (≈6–8 мм2), а «потолок» размера JBS-чипа — 20 мм2 (50 А, 1200 В), ибо далее SiC-диоды становятся по стоимости «платиновыми»; у p-i-n GaAs разумный потолок ≈12×12 мм2, то есть около 200 А/1200 В, или 1000 А/600 В (раздел COOL Diodes).

Что касается биполярных 4H-, 6H-SiC мощных высоковольтных приборов (IGBT, Thyristors, Diodes), то на примере западных приборов очевидно, что из-за «SF»-эффекта у них нет никакого коммерческого будущего в диапазоне 600 ÷ 1700 В. (Подробно «SF»-эффект описан в более ранней статье авторов [2].)

Поясним также роль p-i-n GaAs-диодов в продвижении на рынок SiC-MOSFET. Здесь есть некоторые особенности, которые необходимо отметить:

  1. «DMOS» или «Trench-MOS» или «Z-FETTM».
    SiC MOSFET имеют, как, впрочем, и конструктивные кремниевые аналоги, встроенный антипараллельно включенный (сток – исток) высоковольтный диод. В данном случае биполярный диод. Приведем данные на примере нового SiC Z-FETTM CMF10120 Cree, США. На первый взгляд это типичный диод с обычными характеристиками UF = 3,5 В (IF = 5A, 25 °C), trr = 138 нс (IF = 10 А, 25 °C), ничем не отличающимися от кремниевых, если бы не некоторые моменты, которые замалчиваются Сree, а именно: при IF = 10 А UF ~ 4,5 В, а при IF = 20 А UF >> 5,0 В. Отсюда вытекает, что включать данный диод в режиме ≥5 А нежелательно. Почему? Да все из-за того же «SF»-эффекта, когда высокая плотность неосновных носителей достигнет границы раздела моноподложка — эпитаксиальный слой. Другими словами, у данного диода огромный негативный потенциал — при больших уровнях прямого тока он представляет собой угрозу для SiC MOSFET. А для однофазного преобразования SiC MOSFET не выдерживают конкуренции с Si COOL MOSFET производства фирм Infineon, Германия, IXYS, США, тем более что у SiC Z-FETTM в 1,3 раза ниже рабочая температура, чем у кремниевых MOSFET. SiC MOSFET менее устойчивы по сравнению с Si MOSFET к эффекту Миллера, а также негативным является и то обстоятельство, что область затвора SiC MOSFET может быть разрушена от банального броска прямого тока встроенного SiC-диода и последующего за этим броска прямого импульсного напряжения (максимальное отрицательное напряжение затвор-исток в SiC MOSFET не более –6 В).
  2. Для применения, предположим, в UPS выход есть. Он заключается в том, чтобы к «золотому» (в смысле стоимости) SiC MOSFET подключить антипараллельно «платиновый» SiC JBS (10 ÷ 20 А, 1200 В). «Потолок» по частоте ≤ 1,0 МГц. Однако это очень дорогостоящий вариант.
  3. Поднять жизненный и рыночный тонус SiC MOSFET, как следует из таблицы 1, могут p-i-n GaAs-диоды, которые резко расширят частотный диапазон применения SiC MOSFET. В диапазоне 1200 В и при токах свыше 100 А/чип SiC MOSFET пока абсолютно бесперспективны, поэтому ни о какой конкуренции с сильноточными Si IGBT и речи быть не может, а о диапазоне 1700 В говорить вообще пока преждевременно.

К слову сказать, кремниевые HFA08PB120 диоды класса 12 компании International Rectifier на токи до 10 А по соотношению скорость переключения/надежность/цена во всем мире котируются значительно выше, чем SiC JBS-аналоги. Но, в то же время, кремниевые диоды класса 12 на токи 50, 100 А и более на высоких частотах выглядят «как слон в посудной лавке».

600-В HyperFRED

Это диоды, зона применения которых — импульсные источники вторичного питания с высокой частотой преобразования. Постараемся подробно отразить роль и место Si-, SiC- и GaAs-диодов в этом секторе ВЧ-преобразования.

В 2004 г. вышла в свет совместная статья Берлинского отделения фирмы IXYS, факультета электротехники Аугсбургского университета (Германия) и Берлинского института высоковольтной электроники [3]. Суть работы — на примере двух (!) последовательно включенных 300-В GaAs-диодов Шоттки IXYS показать возможность превзойти достижения Сree в области SiС SBD. Судя по выводам, это им удалось, что позднее и подтвердил Иван Полянский в статье [4].

И сегодня мы не отказываемся от идеи, что на $7,0-млрд рынке корректоров коэффициента мощности (PFC) или на $30-млрд мировом рынке ВИП для России есть достойное место. Все познается в сравнении (таблица 3).

Как показано в таблице 3, кремниевые диоды LXA15T600 фирмы Power Integrations (США) имеют, на удивление, отличные параметры. Их динамические характеристики впечатляют, но все-таки с ростом рабочей температуры такие важнейшие параметры, как заряд обратного восстановления Qrr и ток обратного восстановления, почти удваиваются, и частота коммутации LXA15T600 снижается. Большие значения UF (до 3 В) — это следствие комплексной радиационной обработки: электронами, протонами (H+) и α-частицами (He++). Тем не менее на частотах преобразования до 0,5 МГц они очень хороши.

Таблица 3. Сравнительные характеристики Si-, SiC- и GaAs-диодов

Параметры Si SiC GaAs, HyperFRED
LXA15T600
(Power Integrations)
С3D02060 (Cree), SDT12S60 (Infineon)
Максимальное обратное напряжение URRM, В 600 600 600*
Максимальный постоянный прямой ток IF, A t = +100 °C 15 15 15
t = +150 °C 0 4 12
Максимальное прямое напряжение UF, В (IF = 15 А) t = +25 °C 3,1 1,8 1,8
t = +125 °C 2,8 2,0 1,8
Время обратного восстановления trr, нс
(di/dt = 200 А/мкс, 400 В, IF = 15 А)
t = +25 °C 25 18 24
t = +125 °C 40 18 24
t = +250 °C 20
Заряд обратного восстановления Qrr, нКл
(IF = 15 А, di/dt = 200 А/мкс)
t = +25 °C 67 30 32
t = +125 °C 120 30 32
Ток обратного восстановления IRM, A
(IF = 15 А, di/dt = 200 А/мкс, UR = 400 В)
t = +25 °C 3,6 2,0 2,7
t = +125 °C 6,0 2,0 2,7
Максимальная емкость перехода Сj, пФ (f = 1,0 МГц) UR = 0 В 250 700 22
UR = 200 В 25 70 20
Максимальная температура перехода Tj, °C +175 +175 +250

Примечание: * URRM для p-i-n GaAs, с учетом флуктуаций «нашей» сети 220 В, конечно, будет лежать в диапазоне 600–800 В.

SiC SBD в динамике, до определенного момента, еще лучше. Но необходимо все-таки помнить о том, что прибарьерная зона выделения энергии по своему объему очень мала, что увеличивает чувствительность кристаллической решетки SiC на границе раздела «металл–полупроводник», ускоряется генерация дефектов, сужается жизненный цикл диода при эксплуатации. Большая емкость, снижение проводимости при больших токах также вносят свои ограничения по предельной частоте коммутации SiC. SiC-диоды Шоттки имеют максимальные сочетания параметров 600 В/20 А и 650 В/15 А. Из-за специфики качества материала эпитаксиального SiC выше чем на 15–20 А и 600 В SiC SBD не выпускаются.

Диоды p-i-n GaAs имеют низкие значения времени trr и заряда обратного восстановления Qrr во всем диапазоне рабочих температур кристалла –60…+250 °С. Эти важнейшие параметры практически не отличаются от SiC SBD. Совершенно очевидно, что к дополнительным достоинствам p-i-n GaAs-диодов следует отнести сверхмалую емкость диодной структуры, мало зависящей от обратного напряжения. Тепловая энергия от взаимодействия носителей заряда рассеивается в несравнимо большем объеме полупроводника. Необходимо также отметить великолепную стойкость p-i-n GaAs-диодов к ударным токам и лавинному пробою. На рис. 6 приводятся результаты измерений динамических параметров HyperFRED GaAs-диодов.

 Значения времени, заряда и токов обратного восстановления p-i-n GaAs-диодов

Рис. 6. Значения времени, заряда и токов обратного восстановления p-i-n GaAs-диодов

В p-i-n GaAs HyperFRED величина trr, определяемая временем жизни неосновных носителей tp, задается изначальным технологическим режимом создания LPE p-i-n-структуры и зависит от уровня и профиля глубоких рекомбинационных центров, величина которых в высокоомных и скомпенсированных областях p-i-n-структуры колеблется в пределах 1014–3×1015 см–3.

Из анализа динамических параметров GaAs HyperFRED, в частности, времени восстановления, следует, что величина trr слабо зависит от значений IF, но коэффициент формы оставляет желать лучшего, хотя при таких малых значениях времени и заряда восстановления роль коэффициента формы треугольника тока обратного восстановления не настолько велика, как в режимах мягкого включения в паре с IGBT (в PFC — MOSFET), но, тем не менее, необходимо приводить все в порядок. Из осциллограмм, показанных на рис. 6, следует, что путь один — «урезать» амплитуду тока обратного восстановления и, следовательно, уменьшить заряд обратного восстановления. При относительном запасе значения UF (до 2,5 В) имеется хорошая возможность улучшить коэффициент формы за счет снижения trr и Qrr как минимум в два раза и довести значения trr до 8–12 нс, а Qrr — до 12–15 нКл, что немыслимо сделать на SiC SBD (15 А, 600 В).

В настоящее время запланированы работы по обработке p-i-n GaAs-структур на ускорителях электронов (энергия до 7–9 мэВ, доза до 1012–1013 см2) протонами (до 3 мэВ, доза до 1012 см2). Также планируется рассмотреть возможность «CAL-аксиальной» регулировки (SEMIKRON, Германия) времени жизни tp в p-i-n GaAs с комбинированным облучением в ускорителях электронами, протонами H+ и ионами He++ в ядерных центрах России.

Необходимо также подчеркнуть исключительно высокую стойкость p-i-n GaAs-диодов к EMI.

Из вышесказанного следует, что HyperFRED GaAs-диоды в течение текущего десятилетия перехватят инициативу Si- и SiC-диодов в UPS, PFC, SMPS и других применениях.

COOL–диоды (с отрицательным дифференциальным сопротивлением)

СOOL-диоды — это абсолютно новое поколение высоковольтных диодов в мировой силовой электронике, являющееся результатом творчества авторов статьи.

Приведем начальные результаты и экспериментальные данные по созданию высоковольтных AlGaAs/GaAs-диодов со сверхплотной проводящей плазмой. Такие диодные структуры базируются на явлении двухсторонней инжекции неосновных носителей заряда. Достигнута в 3–5 раз более высокая плотность тока на 1 мм2 по сравнению с SiC SBD, Si (кремниевыми) UFRED и традиционными p-i-n GaAs диодными структурами, указанными в предыдущих разделах данной статьи.

Созданы экспериментальные образцы n+-i-p+ AlGaAs/GaAs диодных высоковольтных структур, в которых при протекании прямых токов (двух прямых токов, а не одного, как это принято в обычном понимании, в традиционных Si- и SiC-диодных структурах). В отличие от Si-, SiC- и p-i-n GaAs-диодов в n+-i-p+ AlGaAs/GaAs диодных структурах отсутствует высокоомный эпитаксиальный слой n-типа проводимости. Он не нужен. Упрощенная структура n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-диода показана на рис. 7.

 Поперечный разрез диодной высоковольтной структуры

Рис. 7. Поперечный разрез AlGaAs/GaAs n+-i-p+ диодной высоковольтной структуры

В диодной n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-структуре два инжектора: анод и катод. Анод инжектирует положительные носители заряда (дырки). Катод инжектирует отрицательные носители заряда (электроны). Роль инжекторов выполняют n+-AlGaAs и p+-p-GaAs изотипный переход. i — зона металлургического перехода между n+- и p+-p-областями не является как таковой «собственной», как это принято в физике полупроводников, к примеру, в Ge, Si, SiC. В нашем случае не работает базовая формула физики полупроводников (для равновесного состояния) — ni2 = n × p. У нас ni2n × p, поскольку произведение квазинейтральных n- и p-носителей в i-зоне ≈ в 108 раз превосходит плотность атомов/см3 GaAs (≈2,21×1022 см-3). В кремниевых или германиевых диодных структурах в равновесном состоянии в любой точке n  × p = ni2, где ni — концентрация носителей в полупроводнике с собственной проводимостью (для Si <1011 cм-3). Другими словами, в i-зоне произведение n × p >1030. А это значит, что как такового уровня Ферми нет, есть квазиуровни Ферми для электронов (ЕFn) и дырок (ЕFp), то есть есть уровень Ферми энергии экситонов. При этом в i-переходной области разностная концентрация донорной и акцепторной примеси меньше либо равна √2,21 × √1022 = √2,21×1011 см3. В этом вся суть. На рис. 8 показана осциллограмма прямой ВАХ с отрицательным наклоном, то есть с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

 Прямая ВАХ n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-диода

Рис. 8. Прямая ВАХ n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-диода

Так что же на рис. 8? Генератор отрицательного напряжения или сверхпроводящий диод? И то, и другое. Кратко поясним это на основе зонной теории полупроводников.

В монографии [5] приведены энергетические диаграммы гетеропереходов AlxGa1-xAs/GaAs n+-p- и p+-p-типов, построенные при предположении, что ΔEC ~ 0,4 эВ между AlGaAs и GaAs, а величина разрыва ΔEV пренебрежимо мала, что убедительно показал в своих более ранних работах академик, лауреат Нобелевской премии Алферов Ж. И. [6]. Если трансформировать энергетические диаграммы А. Милнса [4] n+-p- и p+-p-гетеропереходов и между ними расположить нашу i-GaAs-область, то получится рабочая энергетическая диаграмма n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероперехода, приведенная на рис. 9.

 Энергетическая диаграмма n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероструктуры в равновесном состоянии

Рис. 9. Энергетическая диаграмма n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероструктуры в равновесном состоянии (в отсутствие приложенного напряжения)

На рис. 9 UF0 — разностный потенциал на гетеропереходе при равновесии UF0 ≈ 0,9 В, то есть «нулевое» («пятка») значение остаточного напряжения, когда начинается резкий рост прямого тока при приложении прямого смещения UF.

При приложении прямого смещения UF к n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-структуре энергетическая диаграмма будет иметь вид, показанный на рис. 10.

 Энергетическая диаграмма прямосмещенного n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероперехода

Рис. 10. Энергетическая диаграмма прямосмещенного n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероперехода

При прямом смещении на указанной гетероструктуре создаются условия, когда UF1<UF0, то есть контактная разность потенциалов (≈DUF) резко уменьшается, что эквивалентно созданию встроенного внутреннего поля в i-области , при этом данное электрическое поле () направлено против внешнего приложенного электрического поля . Отсюда следует, что создается генератор отрицательного (противоположного) поля, которое частично компенсирует прямое приложенное напряжение UF.

Следовательно, новое прямое напряжение UF1 меньше UF0 на величину UF1UF0 = –ΔUF. Такая ситуация возникает при следующих условиях и обстоятельствах:

  • Ln ≥ Wi (Ln — диффузионная длина неосновных «тяжелых» электронов).
  • Lp > Wi (Lp — диффузионная длина неравновесных дырок).
  • Валентная зона n+-AlGaAs «отражает», поскольку на гетерогранице слабая рекомбинация неравновесных дырок, в итоге накапливается приличный положительный заряд Qrrp, он провоцирует суперинжекцию тяжелых электронов из гетерослоя.
  • Барьер для электронов в p+-GaAs области хотя и заметно снижается, но все-таки также аккумулирует в i-p-p+-переходе достаточно большой заряд Qrrn электронов, даже при большом уровне рекомбинации на границе i и p-p+-переходов.
  • Значения tp, tn в i-области изначально достаточно велики, и, конечно, они значительно падают при сверхинжекции.

Амбиполярные коэффициенты диффузии Dp,n: тяжелый электрон/дырка, дырка/тяжелый электрон, электрон/дырка, т. е. коэффициенты всех «замесов» электронной плазмы описать пока сложно. Требуются фундаментальные исследования.

Исходя из положения энергетических диаграмм на рис. 9 и 10, можно сделать достаточно смелый вывод: UF1 → к нулю. Такой диод с практически близким к нулевому прямым падением напряжения не только теоретически, но и практически можно реализовать. Это вытекает из анализа зонных диаграмм, показанных на рис. 9 и 10. Дело за малым — заменить моно p+-GaAs-область на сильно легированную p+-AlGaAs-область, и все. Технологически это пока достаточно сложная задача. В таком случае в упрощенном виде возникает зонная диаграмма «плоских зон» (рис. 11).

 Энергетическая диаграмма n+-i-p+ энергетически симметричной гетероструктуры с наличием «вырожденных» квазиуровней Ферми

Рис. 11. Энергетическая диаграмма n+-i-p+ энергетически симметричной гетероструктуры с наличием «вырожденных» квазиуровней Ферми — EFn и EFp

При Lp >> Wn+, Ln >> Wp+, то есть n+-AlGaAs- и p+-AlGaAs-эмиттеры «прозрачны», i-зона становится огромным квантовым «котлованом», переполненным неосновными носителями обоих типов. Создаются условия беспрепятственного энергетического переноса (скольжения) неосновных носителей по энергетической поверхности обеих энергетических зон в GaAs через энергетически «залитое» электронами дно зоны проводимости и, соответственно, дырками — потолок валентной зоны. Экситонная масса в i-области имеет невероятную плотность и другое энергетическое взаимодействие. Возникают условия, близкие к сверхпроводимости, то есть при близком к нулевому значению на p-n-переходе почти нулевое сопротивление. Ток — неограниченный (концентрация носителей — и электронов, и дырок очень велика и имеет сильнейшее вырожденное состояние). Это действительно «суперинжекция».

На рис. 12 показан будущий диодный вентиль — «сверхпроводник–непроводник».

 ВАХ сверхпроводящего гетеровентиля

Рис. 12. ВАХ сверхпроводящего гетеровентиля при «глубоком» прямом смещении

Прямую ВАХ с прямым током 1,0 кА, 600 В реально создать уже сегодня на GaAs-чипе размером 12×12 мм2. Конечно, токоотвод от таких чипов — большая проблема, но ее придется решать. К примеру, в продуманном сверхсильноточном варианте корпуса, напоминающего версию ThinKey, при габаритах кристаллодержателя всего 15×15×5 мм3 и не более можно очень быстро реализовать 600–800 В, 1000 А, что также неплохо для выпрямительных мостов однофазной сети.

Мы считаем реальным уже в ближайшее время получить показанную на рис. 13 ВАХ на AlGaAs/GaAs-структурах.

 Проектная ВАХ COOL-диода при прямом смещении

Рис. 13. Проектная ВАХ COOL-диода при прямом смещении n+-i-p+ (600 В) AlGaAs/GaAs, IF = 1–1000 А

А что с динамикой? Рассмотрим то, что мы имеем на сегодня. Динамика диодов, выполненных на чипах со стандартным размером 3,1×3,1 мм2, аналогичных по площади 15-А p-i-n GaAs-диодам (UFRED) и (HyperFRED), показана на рис. 14.

 Динамика диодов

Рис. 14. Динамика диодов

Совершенно очевидно, что при создании в i-слое экситонной плазмы, как минимум в три раза более плотной, чем в GaAs UFRED и GaAs HyperFRED (завтра — в 10 раз), резко возрос заряд обратного восстановления, но выявились и некоторые особенности.

На прямых токах при IF = 15 А di/dt = 254 А/мкс и di/dt = 425 А/мкс время trr практически одинаково. Qrr закономерно возросло примерно в полтора раза, коэффициент формы в пределах 1,2–1,3. Отсюда следует, что коэффициент формы стал более привлекательным.

Для кремниевых IGBT (и не только) n+-i-p+ AlGaAs/GaAs UFRED-диоды — вероятно, находка: с ростом прямого тока и ростом di/dt динамика улучшается, потери при выключении снижаются при размерах чипов, меньших в сравнении с кремниевыми в 3 ÷ 5 раз. Что касается пробивных напряжений, то можно твердо сказать, что URRM = 600 В далеко не предел, и 800, и 1000 и 1200 В являются реальностью. Мы об этом думаем.

Создание COOL-диодов требует организации мощного производства сотен миллионов, миллиардов штук таких приборов в год для рынка ВТО.

Hyper2FRED

Данные диоды рассчитаны на 250 В (бортовая сеть) и 600 В (однофазная сеть) и токи от единиц до 20 А (табл. 4). Теоретически они должны работать на частотах коммутации свыше 50 МГц. Создать их можно, и довольно быстро. Однако есть одно «но»: нужны транзисторы на такие же скорости. Что такое частота преобразования на 50 МГц по сравнению с промышленно освоенной в России 0,5 МГц? Видимо, можно ожидать роста энергоплотности на «кубик» не меньше чем на порядок. А это не просто революция в ВЧ преобразовательной технике, это, вероятно, потянет за собой преобразование в мышлении, подходах, материалах, кристаллоносителях без наличия ферромагнетиков, применение трансформаторов в виде булавки, отсутствие проволочных соединений к чипам, возвращение к флип-чип вакуумным сборкам, теплоотводам на BN или композициям алмаза с карбидом кремния (C-SiC), нанокапиллярным пайкам и т. д.

Таблица 4. Параметры GaAs Hyper2FRED

Обозначение Значения параметров
URRM, В 250 600
IF, А 1–20 1–20
UF, В 0,1–0,4 0,1–0,6
trr, нс 0,5–1,0 2–5
Tj, °С 200 250
fпреобраз., МГц ≥100 ≥50

Расчетные прямые ВАХ Hyper2FRED показаны на рис. 15–17.

 Прямая ВАХ Hyper2FRED комбинированной конструкции  прямосмещенного n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероперехода

Рис. 15. Прямая ВАХ Hyper2FRED комбинированной конструкции (250, 600 В)прямосмещенного n+-i-p+ AlGaAs/GaAs-гетероперехода


 Прямая ВАХ Hyper2FRED с тонкой базой (250, 600 В)

Рис. 16. Прямая ВАХ Hyper2FRED с тонкой базой (250, 600 В)


 Прямая ВАХ Hyper2FRED с толстой базой (250, 600 В)

Рис. 17. Прямая ВАХ Hyper2FRED с толстой базой (250, 600 В)

Заключение

Бытовые приборы (пылесосы, стиральные машины, миксеры, телевизоры, ноутбуки, стационарные компьютеры, галогенные или LED-светильники, музыкальные центры, автомобили, кондиционеры, электроприводы, преобразовательная промэлектроника и т. д., и т. п.) — это необъятный рынок высоковольтных диодов. Его емкость подчеркивается на конкретном примере применения p-i-n GaAs-диодов в SMPS (рис. 18).

 Схема «замещения» p-i-n GaAs-диодами Si- и SiC-диодов и синхронного выпрямителя в SMPS

Рис. 18. Схема «замещения» p-i-n GaAs-диодами Si- и SiC-диодов и синхронного выпрямителя в SMPS

На вопрос, каков прогноз развития новой GaAs-электроники во втором десятилетии XXI в., можно ответить очень и очень просто: наступает эпоха высоковольтной гетероэлектроники (AlGaAs/GaAs; 4HSiC/3CSiC; AlGaN/GaN и др.), и от нее никуда не деться. В историю уйдут технологии селена, германия, кремния. Судите сами, какие великолепные возможности предоставляет базовая p-i-n GaAs-технология.

AlGaAs/GaAs:

  • IGBT — на 600, 1200, 1700 В на частоты 3,0–1,0 МГц с UCE sat< 1,0 В;
  • мощные MOSFET — на 250–1700 В c f = 1–20 МГц;
  • мощные JFET — от 250 до 1200 В, с f = 10–100 МГц; RDSon GaAsRDSon SiC (по поводу RDSon материаловедам просьба не беспокоиться: физика материалов и физика приборов — это не одно и то же);
  • мощные тиристоры (в том числе ETO, MCT) — 600–1700 В, c fT от 0,3 до 2 МГц;
  • СВЧ-транзисторы, диоды — 1–12 ГГц, 600–1200 В;
  • лазерные силовые ключи — единицы пикосекунд, 1000 В, десятки ампер.

У России появляется исключительный шанс — воспользоваться родной супер-инновацией в ближайшей перспективе на рынке силовой электроники объемом $40 млрд.

Литература

  1. Войтович В. Е., Гордеев А. И., Думаневич А. Н. Чем заменить SiC-диоды Шоттки? // Силовая электроника. 2009. № 5.
  2. Войтович В. Е., Гордеев А. И., Думаневич А. Н. Si, GaAs, SiC, GaN — силовая электроника. Сравнение, новые возможности // Силовая электроника. 2010. № 5.
  3. Steinhoff S., Reddig M., Knigge S. A new generation of 600V GaAs Schottky diodes for high power density PFC applications // IXYS paper (first time published at PCIM 2005 Conference. Nuremberg, Germany).
  4. Milnes A. G., Feucht D. L. Heterojunctions and Metal–Semiconductor Junctions // Academic Press. New York and London. 1972.
  5. Алферов Ж. И. Физика и жизнь. М.–СПб: Наука. 2001.
  6. 12 патентов РФ 2010–2011 гг. Авторы — Войтович В. Е., Гордеев А. И., Думаневич А. Н.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_06_22.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо